DE102011084636B4 - Verfahren zur Erkennung und/oder Bewertung geräte- und/oder prozessbedingter Störungen eines Messsignals - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erkennung und/oder Bewertung geräte- und/oder prozessbedingter Störungen eines Messsignals, insbesondere eines Messsignals einer Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Messmedium, mit den Schritten- Erzeugen von Sendesignalen mittels zumindest eines Senders, wobei die Sendesignale durch Wechselwirkung mit dem Messmedium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt werden,- Empfangen von Messsignalen mittels zumindest eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus den gewandelten Sendesignalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale weiterverarbeitet werden durch- Bilden eines Störanteils der Messsignale durch Verrechnen der Messsignale mit einem aus einem Dimensionsreduktionsverfahren, insbesondere der Hauptkomponentenanalyse, erlangtem Störterm, wobei der Störterm die Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz umfasst, wobei der Störanteil x̃ nach der Formelx˜=Sxberechnet wird, mitS dem Störterm undx den Messsignalen,wobei der Störterm S nach der FormelS=(I−PPT)berechnet wird, mitI der Einheitsmatrix undP der Matrix bestehend aus den Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz, und- Bewerten des Störanteils über seinen zeitlichen Verlauf.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und/oder Bewertung geräte- und/oder prozessbedingter Störungen eines Messsignals, insbesondere eines Messsignals einer Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Messmedium.
• Trübungsmessungen im Sinne dieser Erfindung werden mittels eins Trübungssensors insbesondere in Frisch- und Brauchwasser sowie Gasen durchgeführt. Weiterhin bezieht sich diese Erfindung auf Messungen von ähnlichen Prozessgrößen wie der Feststoffgehalt oder der Schlammspiegel. Messgeräte, die zur Bestimmung der entsprechenden Prozessgrößen geeignet sind, werden von der Firmengruppe Endress+Hauser in großer Variantenvielfalt angeboten und vertrieben, beispielsweise unter dem Namen „Turbimax CUS51 D“.
• Üblicherweise sind die Sensoren in einem Sensorkörper angeordnet und die Bestimmung der Prozessgröße geschieht optisch. Dabei werden über zumindest ein optisches Fenster im Sensorkörper elektromagnetische Wellen einer bestimmten Wellenlänge von zumindest einem Sender gesendet, vom Messmedium gestreut und eventuell über ein weiteres optisches Fenster von einem Empfänger empfangen. Die Wellenlängen der elektromagnetischen Wellen der optischen Komponenten liegen typischerweise im nahen Infrarot, beispielsweise bei 880 nm.
• Durch den Betrieb in wässrigen oder gasförmigen Medien, insbesondere auch Abwasser, entstehen Verkrustungen, Verunreinigungen, Ab- und Anlagerungen auf dem optischen Fenster, wodurch Messergebnisse verfälscht werden. Oft bildet sich ein kaum sichtbarer Schmutzfilm auf dem Fenster. Durch abrasive Medien kann das optische Fenster beschädigt werden. Es gibt sowohl kurzfristige Verschmutzungen, die sich nach einiger Zeit wieder selbstständig vom optischen Fenster lösen, als auch langfristige Verschmutzungen, die sich nicht selbstständig von dem optischen Fenster lösen und dauerhaft am optischen Fenster haften. Es ergibt sich dabei ein schleichender Fehler des Messsignals.
• Als Sender werden meist schmalbandige Strahler, z.B. eine Leuchtdiode (LED) eingesetzt. Dabei wird die LED zur Erzeugung eines in einem geeigneten Wellenlängenbereich liegenden Licht verwendet. Als Empfänger kann entsprechend eine Fotodiode eingesetzt werden, die aus dem empfangenen Licht ein Empfängersignal, beispielsweise einen Fotostrom oder eine Fotospannung, erzeugt.
• Leuchtdiode und Fotodiode unterliegen altersbedingten Schwankungen hinsichtlich ihrer Sende- und Empfangseigenschaften. So kann die (Strahlungs-)Leistung zurückgehen oder der erzeugte Fotostrom geringer als zu Einsatzbeginn sein. Dies ist für die Erfassung der Prozessgröße als problematisch anzusehen, da dadurch eine korrekte Messung nicht mehr garantiert werden kann.
• Der aktuelle Zustand der Messung muss somit überwacht und bewertet werden. Die Bewertung des aktuellen Zustandes bezieht sich dabei im Wesentlichen auf Verfügbarkeit, Sicherheit und Qualität, woraus sich unter anderem auch Aussagen zur Plausibilität des Messwertes und der Glaubwürdigkeit ableiten lassen.
• Bei der Prognose eines zukünftigen Zustandes sind die Zeitpunkte, zu denen eine Wartungsmaßnahme (Kalibrierung, Reinigung, Austausch von Bauteilen wie z.B. LED, Erneuerung von Verbrauchsstoffen oder Austausch von Teilsystemen oder des Gesamtsystems) notwendig sein wird, von Interesse.
• Die US 2005 / 0 057 753 A1 offenbart ein Verfahren mittels dem mehrere Ablesungen nacheinander durchgeführt werden. So können z. B. photometrische und fluorometrische oder photometrische und turbidimetrische Messungen innerhalb von Sekunden durch mehrere Lichtstrahlen durchgeführt werden, die entlang mehrerer Meridionalebenen eines Probengefäßes gerichtet sind. Während solche Sätze aufeinanderfolgender Messungen nur herkömmliche Berechnungsmethoden erfordern, wird die absichtliche Redundanz der gelieferten Daten durch multivariate Methoden ausgewertet.
• Die US 2008 / 0 319 712 A1 offenbarte ein optisches System, in dem gefiltertes Breitbandlicht zur Bestimmung der spezifischen Komponenten in einer Materialprobe verwendet wird. Das System bildet eine Matrix, die Hauptkomponenten der zu analysierenden Messung bei verschiedenen Frequenzen abbildet.
• Die US 6 723 554 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung mindestens einer optischen Eigenschaft. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle mit Vorrichtungen zur Steuerung der Intensität des von der Quelle durchgelassenen Strahls, einen Fotodetektor zur Messung der Intensität des vom Medium reflektierten Strahls, ein System zur Regelung der Rückkopplung, das auf die Steuervorrichtungen einwirkt, so dass die gemessene Intensität des reflektierten Strahls gleich einer vorbestimmten Nennintensität ist, und Vorrichtungen zum Ablesen der Intensität des durchgelassenen Strahls, wobei diese Intensität die optische(n) Eigenschaft(en) des Mediums darstellt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Störung der Messsignale zu erkennen und diese zu bewerten um damit dauerhaft eine korrekte Messung zu gewährleisten.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten
• - Erzeugen von Sendesignalen mittels zumindest eines Senders, wobei die Sendesignale durch Wechselwirkung mit dem Messmedium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt werden,
• - Empfangen von Messsignalen mittels zumindest eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus den gewandelten Sendesignalen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messsignale weiterverarbeitet werden durch
• - Bilden eines Störanteils der Messsignale durch Verrechnen der Messsignale mit einem aus einem Dimensionsreduktionsverfahren, insbesondere der Hauptkomponentenanalyse, erlangtem Störterm, wobei der Störterm die Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz umfasst,
• - Bewerten des Störanteils über seinen zeitlichen Verlauf.
• Durch die Anwendung eines Dimensionsreduktionsverfahrens, insbesondere der Hauptkomponentenanalyse, ist es möglich einen Störanteil des Messsignals zu bilden. Anhand dieses Störanteils kann eine Aussage über die Qualität der Messung gemacht werden. So kann im zeitlichen Verlauf des Störanteils etwa festgestellt werden, ob sich die Charakteristik des Senders und/oder Empfängers verändert hat oder ob eine Verschmutzung des Sensors vorliegt.
• Aus der DE 196 81 530 B4 ist ein Verfahren für einen Regler bekannt, das einen Rest einer Differenz zwischen den Messsignalen und den aus allen Hauptkomponenten einer Hauptkomponentenanalyse abgeleiteten Schätzsignalen als Maß für die Qualität der Messsignale hernimmt, wobei der Rest in mehreren Rechenschritten ermittelt wird und entsprechend umfangreich zu berechnen ist.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Hauptkomponenten mit den n größten Anteilen an der Gesamtvarianz verwendet, mit n der Anzahl an Sendern. Mit den n größten Hauptkomponenten werden circa 95 % der Gesamtvarianz des Messsignals abgedeckt.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiterhin das Ausgeben einer Warnmeldung wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums zumindest ein Grenzwert für den Störanteil überschritten wird. Somit kann rechtzeitig reagiert werden, wenn die Qualität der Messung nicht mehr dem gewünschten Wert entspricht.
• Der oben genannte Störanteil x̃ wird nach der Formel $$\tilde{x}=\mathbf{S}x$$

  

  berechnet, mit
  S dem Störterm und
  x den Messsignalen.
• Der Störterm S wiederum wird nach der Formel $$\mathbf{S}=\left(\mathbf{I}-{\mathbf{PP}}^{\text{T}}\right)$$

  

  berechnet, mit
  I der Einheitsmatrix und
  P der Matrix bestehend aus den Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Hauptkomponentenanalyse vorab mit Messsignalen durchgeführt, die aus Standardbedingungen ermittelt werden.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Messsignale für die Hauptkomponentenanalyse aus zumindest einem der Medien Formazin, Belebtschlamm, Faulschlamm, Primärschlamm, Rücklaufschlamm, Kaolin oder Titandioxid (TiO₂) verwendet.
• Da die Hauptkomponentenanalyse vorab, d.h. vor der eigentlichen Messung des Messmediums, unter Standardbedingungen mit unterschiedlichsten Medien durchgeführt wird, spiegelt der aus der Hauptkomponentenanalyse resultierende Störterm diese unterschiedlichsten Medien wieder. Der Verrechnung der Messsignale des Messmediums mit dem Störterm und dem Bilden des Störanteils liegt somit eine solide Basis zugrunde, welche einen Großteil der möglichen Trübungswerte umfasst. Der Störanteil ist ein solides Maß für die Qualität der Messung.
• Wird ein festgelegter Grenzwert für den Störanteil überschritten, kann wie bereits erwähnt eine Warn- oder Fehlermeldung ausgegeben werden. Dieser Grenzwert besagt, dass nun nicht mehr nur die größten Hauptkomponenten wesentliche Beiträge zur Gesamtvarianz beitragen, sondern, dass die weiteren Hauptkomponenten signifikanten Beitrag zur Gesamtvarianz leisten. Die Folge dieses Umstandes ist, dass die Messung nicht mehr die gewünschte Qualität hat, z.B. da der Empfänger altert oder Verschmutzungen vorliegen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung werden vor Durchführung der Hauptkomponentenanalyse die Messsignale normiert mit $x_{\text{normiert}}=\frac{x}{\Vert x\Vert }.$

  

  Es hat sich als vorteilhaft gezeigt die Messsignale zu normieren, da somit ein Driften der Messsignale (bedingt z.B. durch eine leicht ansteigende Verschmutzung der Fenster) besser erkennen lassen. Selbstredend muss diese Normierung auch mit den tatsächlichen Messsignalen durchgeführt werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform führt ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller die Berechnung des Störanteils durch. Mikroprozessoren und -controller können mit wenig Energieverbrauch zuverlässig die beschriebenen Berechnungen durchführen und sind somit geeignete Bauteile.
• Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näherer erläutert. Es zeigt
• 1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die Erfindung soll anhand einer Trübungsmessung erläutert werden. Die Erfindung ist jedoch erweiterbar auf Messungen ähnlicher Prozessparameter wie etwa der Schlammspiegel oder der Feststoffgehalt. Bei einem Trübungssensor gibt es typischerweise zwei unabhängig funktionierende sensorische Einheiten mit jeweils einem Sender und zwei Empfängern. Bevorzugt werden die zwei Empfänger für den Empfang von Streulicht in einem Winkel von 90° bzw. 135° zur Strahlrichtung des Senders verwendet. Bei einem Trübungssensor wird bei niedrigen Trübungswerten vorzugsweise der 90°-Kanal benutzt. Bei mittleren und hohen Trübungswerten sowie Feststoffmessungen wird vorzugsweise der 135°-Kanal benutzt. Es sind auch Trübungssensoren mit nur einem Empfänger und/oder einem Sender bekannt. Auch auf diese Sensoren lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren anwenden. Über ein oder mehrere (optische) Fenster haben der Sender und Empfänger Kontakt mit dem Messmedium.
• Im ersten Schritt werden Messsignale unter Standardbedingungen im Block 1 aufgenommen. Standardbedingungen im Sinne dieser Erfindung sind konstante Temperatur, konstanter Luftdruck, wohl definierte Menge an Medium und regelmäßiges Durchrühren des Mediums um die Trübung konstant zu halten. Bei der Messung unter Standardbedingungen im Labor werden Messsignale zumindest eines der Medien Formazin, Belebtschlamm, Faulschlamm, Primärschlamm, Rücklaufschlamm, Kaolin und/oder Titandioxid aufgenommen.
• Aus diesen unterschiedlichen Messsignalen wird eine Hauptkomponentenanalyse in Block 2 erstellt. Aus der Hauptkomponentenanalyse ergeben sich dann die Hauptkomponenten mit jeweils unterschiedlichen Anteilen an der Gesamtvarianz. Für die Erfindung sind nur die Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz entscheidend. Im Beispiel haben die zwei ersten Hauptkomponenten die größten Anteile an der Gesamtvarianz, d.h. die effektive Dimension der Daten ist zwei. Die effektive Dimension der Daten entspricht der Anzahl an Sendern. Es hat sich gezeigt, dass mit den n größten Hauptkomponenten, wobei n der Anzahl an Sendern entspricht, 95 % der Gesamtvarianz abgebildet werden.
• Im nächsten Schritt werden bei dem Messmedium Messsignale im Block 3 aufgenommen. Diese Messsignale aus Block 3 werden mit den zwei ersten Hauptkomponenten im Block 4 verrechnet und es ergibt sich ein Störanteil des Signals mit $$\tilde{x}=Sx,$$

  

  wobei
  x̃ der Störanteil,
  S der Störterm, und
  x die Messsignale darstellt. Der Störterm berechnet sich mit $$\mathbf{S}=\left(\mathbf{I}-{\mathbf{PP}}^{\text{T}}\right),$$

  

  wobei
  I der Einheitsmatrix und
  P der Matrix bestehend aus den zwei Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz entspricht. Je größer der Störanteil, desto größer ist die Störung. Sollte der Anteil der n größten Hauptkomponenten (deutlich) unter 95 % fallen, oder anders gesagt, der Störanteil liegt oberhalb eines Grenzwerts, so haben auch die weiteren Hauptkomponenten signifikanten Anteil an der Gesamtvarianz. Die Folge daraus ist, dass die Messung nicht mehr die gewünschte Qualität liefert, da beispielsweise der Empfänger/Sender altert oder eine Verschmutzung vorliegt.
• Da die Matrix P vorab unter Standardbedingungen im Labor ermittelt wird, muss im Sensor nur eine Multiplikation durchgeführt werden. Diese Verrechnung kann mit Hilfe eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors geschehen. Aber auch einfachere Schaltungselemente sind denkbar, da die Sensoren unter Umständen energiesparsam betrieben werden müssen. Die Berechnung kann also im Sensor erfolgen, grundsätzlich aber auch außerhalb des Sensors in einer separaten Datenverarbeitungsanlage durchgeführt werden.
• Der Störanteil wird anschließend in Block 5 bewertet. Ist der Störanteil über einem bestimmten Grenzwert, kann eine Warnmeldung in Block 6 ausgegeben werden. Es ist denkbar, dass verschiedene Warnmeldungen je nach Größe des Störanteils ausgegeben werden (mehrstufiges Warnsystem).
• Zusammengefasst werden die wichtigsten Hauptkomponenten unter Standardbedingungen im Labor von unterschiedlichsten Medien ermittelt und mit den aktuellen Messwerten des Messmediums verrechnet. Dieser Wert ist ein Maß für die Qualität der Messung. Bei Bedarf wird eine Warn- oder Fehlermeldung ausgegeben.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erkennung und/oder Bewertung geräte- und/oder prozessbedingter Störungen eines Messsignals, insbesondere eines Messsignals einer Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Messmedium, mit den Schritten - Erzeugen von Sendesignalen mittels zumindest eines Senders, wobei die Sendesignale durch Wechselwirkung mit dem Messmedium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt werden, - Empfangen von Messsignalen mittels zumindest eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus den gewandelten Sendesignalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale weiterverarbeitet werden durch - Bilden eines Störanteils der Messsignale durch Verrechnen der Messsignale mit einem aus einem Dimensionsreduktionsverfahren, insbesondere der Hauptkomponentenanalyse, erlangtem Störterm, wobei der Störterm die Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz umfasst, wobei der Störanteil x̃ nach der Formel $$\tilde{x}=\mathbf{S}x$$

   

   berechnet wird, mit S dem Störterm und x den Messsignalen, wobei der Störterm S nach der Formel $$\mathbf{S}=\left(\mathbf{I}-{\mathbf{PP}}^{\text{T}}\right)$$

   

   berechnet wird, mit I der Einheitsmatrix und P der Matrix bestehend aus den Hauptkomponenten mit den größten Anteilen an der Gesamtvarianz, und - Bewerten des Störanteils über seinen zeitlichen Verlauf.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hauptkomponenten mit den n größten Anteilen an der Gesamtvarianz verwendet werden, mit n der Anzahl an Sendern.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend, Ausgeben einer Warnmeldung wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums zumindest ein Grenzwert für den Störanteil überschritten wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hauptkomponentenanalyse vorab mit Messsignalen durchgeführt wird, die aus Standardbedingungen ermittelt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Messsignale für die Hauptkomponentenanalyse aus zumindest einem der Medien Formazin, Belebtschlamm, Faulschlamm, Primärschlamm, Rücklaufschlamm, Kaolin oder Titandioxid (TiO₂) verwendet werden.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei vor Durchführung der Hauptkomponentenanalyse die Messsignale normiert werden mit $$x_{\text{normiert}}=\frac{x}{\Vert x\Vert }.$$

   
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller die Berechnung des Störanteils durchführt.

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