DE102006040408A1

DE102006040408A1 - Verfahren zum Betrieb einer Fühleranordnung

Info

Publication number: DE102006040408A1
Application number: DE102006040408A
Authority: DE
Inventors: Harald U. Müller; Paul Dipl.-Ing. Szasz; Ralf Dr.-Ing. Huck; Steffen Dr. KELLER; Tilo Dipl.-Ing. Merlin
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-13
Also published as: CN101135581A; US8342741B2; CN101135581B; US20080069179A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit, wobei in einer Initialisierungsphase aus Messwerten des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers eine Kennlinie der Fühleranordnung aufgenommen wird und während des laufenden Betriebes die Abweichung von der Kennlinie über einen Toleranzbereich hinaus alarmiert wird. Es wird vorgeschlagen, die Alarmierung dynamisch auszusetzen, solange sich die Messwertänderungen im Zeitverlauf (10) des mindestens einen Messfühlers oder im Zeitverlauf (20) des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls (30) über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus unterscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit.
In vielen Bereichen der industriellen Prozess- und Messtechnik wird für eine optimale Prozesssteuerung eine genaue Kenntnis einer vorgegebenen physikalischen Größe benötigt. Dabei sind an eine derartige Fühleranordnung hohe Anforderungen gestellt, wie robuster Aufbau, hohe Vibrations- und Temperaturschockbeständigkeit, Unempfindlichkeit gegen chemisch aggressive Medien sowie ggf. gegen radioaktive Bestrahlung. Je nach Einsatzort müssen diese Bedingungen kumulativ erfüllt sein. Darüber hinaus sollten die Fühler noch eine hohe Messgenauigkeit sowie eine hohe Reproduzierbarkeit über lange Zeitdauern aufweisen.
Es ist bekannt, dass sich die Kennlinie eines Messfühlers durch Ereignisse während des Gebrauchs sowie durch Alterung verändert. Mit zunehmender Abweichung von der bekannten Kennlinie des Messfühlers sinkt dessen Messgenauigkeit. Eine hohe Messgenauigkeit kann daher nur sichergestellt werden, wenn die Genauigkeit der Fühler von Zeit zu Zeit durch eine Kalibrierung überprüft wird. Zu diesem Zweck muss der Fühler aus der Anlage ausgebaut werden.
Aus der EP 1 182 438 B1 eine Fühleranordnung bestehend zwei verschiedenen Fühlerbauarten bekannt, bei der während einer Initialisierungsphase aus der Differenz der ermittelten Messwerte des Fühlers erster Bauart und des Fühlers zweiter Bauart ein Korrekturwert für den Messwert der physikalischen Größe ermittelt und addiert wird, so dass die ermittelten resultierenden Messwerte für beide Fühler nahezugleich sind. In der nachfolgenden Mess- und Betriebsphase werden sowohl die jeweiligen resultierenden Messwerte als auch deren Abweichungen zur Erkennung alterungsabhängiger Drifterscheinungen überwacht und bei Überschreitung eines Grenzwertes alarmiert.
In Folge unterschiedlichen Ansprechverhaltens der einzelnen Fühler auf die Prozessdynamik während der Mess- und Betriebsphase kann es zu einer dynamischen Fehlkalibrierung der Fühleranordnung kommen, die zu einer Fehlalarmierung führt.
Dabei können sich Effekte durch die verschiedenen Messprinzipien, die Distanz jedes einzelnen Fühlers zur Quelle der physikalischen Größe, Hysterese sowie Exemplarstreuungen bei gleichartigen Fühlern überlagern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drifterkennung für die bekannte Fühleranordnung anzugeben, bei der Fehlalarmierungen durch prozessdynamische Grenzwertüberschreitung vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass die Drift ein sehr langsam ablaufender Prozess ist, der im wesentlichen auf Materialveränderungen in den sesitiven Elementen zurückzuführen ist.
Dabei geht die Erfindung von einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit aus, wobei in einer Initialisierungsphase aus Messwerten des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers eine Kennlinie der Fühleranordnung aufgenommen wird und während des laufenden Betriebes die Abweichung von der Kennlinie über einen Toleranzbereich hinaus alarmiert wird.
Erfindungsgemäß wird die Alarmierung dynamisch ausgesetzt, solange sich die Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers oder des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus unterscheiden. Die Alarmierung erfolgt also erst nach Eintritt der Beruhigung der Prozessdynamik, bleibt dann aber unabhängig vom weiteren Verlauf der Prozessdynamik permanent bis zu ihrer Quittierung erhalten.
Dabei soll im Rahmen dieser Offenbarung die Messwertänderung innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls jeden beliebigen Zeitverlauf des Messwerts innerhalb des Zeitintervalls umfassen.
Darüber hinaus soll im Rahmen dieser Offenbarung unter Alarmierungen jede Form von optischer, akustischer oder anderer Signalisierung verstanden werden, die geeignet ist, die Aufmerksamkeit des Betreibers zu erregen. Die Signalisierung kann mehrstufig ausgeführt sein, wobei den Alarmierungen Warnungen vorausgehen.
Vorteilhafterweise werden dadurch Fehlalarme in Folge fühlerindividuell gemessener Zeitverläufe einer physikalischen Größe mit großer Prozessdynamik vermieden.
Darüber hinaus kommt die Erfindung im Falle der Temperaturmessung mit den Mitteln der bekannten Temperaturfühleranordnung aus. Vielmehr genügt zur Realisierung der Erfindung ein Vergleichsfühler zum Messfühler.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Grenzwert in Abhängigkeit von den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls dynamisch an die Messwertänderungen angepasst. Dadurch gelingt es, auch bei hoher Prozessdynamik Fehlalarmierungen sicher zu vermeiden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das sich auf eine Temperaturfühleranordnung bezieht. Dazu sind in der einzigen Figur Zeitverläufe von Messsignalen als Temperaturwerte T über die Zeit t dargestellt.
Im einfachsten Fall besteht die Temperaturfühleranordnung aus einem Messfühler und einem Vergleichsfühler sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit. Dabei können der Messfühler und der Vergleichsfühler sowohl von gleicher als auch von verschiedener Bauart sein. Der Zeitverlauf des Temperaturmesswerts des Messfühlers ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und der Zeitverlauf des Temperaturmesswerts des Vergleichsfühlers ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet.
Der Messfühler und der Vergleichsfühler sind vorzugsweise in einem zum Prozess hin abgeschlossenen Behälter untergebracht, der die Fühler gegenüber dem Prozessmedium schützt. Insbesondere kann hierzu ein für sich bekanntes Schutzrohr vorgesehen sein. Am dem Prozessmedium abgewandten Ende des Schutzrohres ist ein Gehäuse zur Aufnahme der Auswerteeinheit angeordnet.
Aus der Initialisierungsphase ist die Kennlinie der Fühleranordnung aus gemessenen temperaturabhängigen Messwertdifferenzen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers verfügbar.
Während des laufenden Betriebes wird die Abweichung von der Kennlinie über einen Toleranzbereich hinaus alarmiert. Dazu werden die Messwertdifferenzen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers ermittelt und mit dem zugehörigen Kennlinienwert verglichen.
Sobald die ermittelte Messwertdifferenz von dem zugehörigen Kennlinienwert den zulässigen Toleranzbereich übersteigt, wird von einem Defekt der Fühleranordnung ausgegangen und das Verlassen des Toleranzbereiches alarmiert. Dabei wird die Alarmierung dynamisch ausgesetzt, solange sich eine der Messwertänderungen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus unterscheiden.
In der Figur sind Zeitverläufe 10 und 20 der gemessenen Temperaturen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers dargestellt, denen Toleranzbänder 11 und 21 überlagert sind. Von einem thermischen Gleichgewicht wird ausgegangen, wenn innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls 30 sowohl der Zeitverlauf 10 des Temperaturmesswertes des Messfühlers innerhalb des Toleranzbandes 11 bleibt als auch der Zeitverlauf 20 des Temperaturmesswertes des Vergleichsfühlers innerhalb des Toleranzbandes 21 bleibt.
Zur Drifterkennung werden die gemessenen Temperaturen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers aufgezeichnet und fühlerindividuell die Temperaturänderung innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls 30 zu bestimmt.
Die Messwertänderung jedes Fühlers umfasst dabei jeden beliebigen Zeitverlauf 10 und 20 des Messwerts innerhalb des Zeitintervalls 30. Im einfachsten Fall ist die Messwertänderung die Differenz zwischen dem Messwert am Ende des Zeitintervalls und dem Messwert am Beginn des Zeitintervalls 30.
In weiterer Ausgestaltung der Erindung kann vorgesehen sein, den Grenzwert in Abhängigkeit von den Messwertänderungen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls dynamisch an die Messwertänderungen anzupassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, den Grenzwert proportional zu den Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls 30 anzupassen. Dadurch wird bei hoher Prozessdynamik und dementsprechend großen Messwertänderungen, bei der auch die Differenzen der Messwertänderungen der Fühler beispielsweise infolge baulich bedingter unterschiedlicher Beabstandung anwachsen, der Grenzwert dynamisch erhöht und im quasistationären Prozess dynamisch vermindert. Damit wird die Alarmierung dynamisch an die herschenden Prozessbedingungen angepasst.
In weiterer Ausgestaltung der Erindung kann vorgesehen sein, die Abweichung bei geringen Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls 30 im quasistationären Prozess unmittelbar aus der Differenz der Messwerte des Messfühlers und des Vergleichsfühlers und dem zugehörigen Kennlinienwert der Fühleranordnung zu ermitteln.
Bei bei großen absoluten Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls 30 und geringen Differenzen zwischen den Messwertänderungen des Messfühlers und den Messwertänderungen des Vergleichsfühlers kann vorgesehen sein, die Abweichung mit statistischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten ermittelt. In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Abweichung mit analytischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten zu ermitteln. Beiden Ausführungsformen ist gemein, zunächst eine Mehrzahl von Datenpunkten im Arbeitsbereich der Fühleranordnung aufzunehmen, die in einer nachfolgenden Schrittfolge einer statistischen oder analytischen Methode unterworfen werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erindung kann vorgesehen sein, in der Initialisierungsphase einen Kennlinienpunkt der Fühleranordnung aufzunehmen, wenn die Messwertänderungen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.
Wenn die fühlerindividuellen Temperaturänderungen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls 30 einen vorgebbaren Grenzwert unterschreiten, befindet sich die Temperaturfühleranordnung im thermischen Gleichgewicht und es wird ein neuer Kennlinienwert aufgenommen. Der neue Kennlinienwert ist die Differenz zwischen dem Temperaturmesswert des Messfühlers und dem Temperaturmesswert des Vergleichsfühlers.

10, 20: Zeitverlauf
11, 21: Toleranzband
30: Zeitintervall

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit, wobei in einer Initialisierungsphase aus Messwerten des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers eine Kennlinie der Fühleranordnung aufgenommen wird und während des laufenden Betriebes die Abweichung von der Kennlinie über einen Toleranzbereich hinaus alarmiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Alarmierung dynamisch ausgesetzt wird, solange sich die Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers oder des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls (30) über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert in Abhängigkeit von den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls (30) dynamisch an die Messwertänderungen angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert proportional zu den Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls (30) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung bei geringen Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls aus der Differenz der Messwerte des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers und dem zugehörigen Kennlinienwert der Fühleranordnung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung bei großen absoluten Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls und geringen Differenzen zwischen den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und den Messwertänderungen des mindestens einen Vergleichsfühlers mit statistischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung bei großen absoluten Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls und geringen Differenzen zwischen den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und den Messwertänderungen des mindestens einen Vergleichsfühlers mit analytischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in der Initialisierungsphase ein Kennlinienpunkt der Fühleranordnung aufgenommen wird, wenn die Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.