WO2008003575A2 - Measuring arrangement comprising a state monitoring system, and method for monitoring the state of a measuring arrangement - Google Patents
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- WO2008003575A2 WO2008003575A2 PCT/EP2007/055912 EP2007055912W WO2008003575A2 WO 2008003575 A2 WO2008003575 A2 WO 2008003575A2 EP 2007055912 W EP2007055912 W EP 2007055912W WO 2008003575 A2 WO2008003575 A2 WO 2008003575A2
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- G05B23/024—Quantitative history assessment, e.g. mathematical relationships between available data; Functions therefor; Principal component analysis [PCA]; Partial least square [PLS]; Statistical classifiers, e.g. Bayesian networks, linear regression or correlation analysis; Neural networks
Definitions
- the subject relates to a measuring arrangement with condition monitoring and a method for condition monitoring of a measuring arrangement.
- a variety of diagnostic functions are provided for measuring arrangements which comprise at least one sensor and a device for measuring value processing, for example a measuring transducer.
- a device for measuring value processing for example a measuring transducer.
- diagnosis of measurement or state variables with the monitoring by means of warning and alarm limit values of a minimum and maximum value are state-of-the-art today. This ensures the monitoring of individual sensor properties of interest.
- Monitoring device for the load of measuring probes by influences from the measuring environment also takes into account the current characteristics of the measuring environment as well as the history of the process conditions.Thus, depending on a load model, an evaluation of the already loaded load of the measuring system is possible Derive statements about the remaining service life of the system.
- a comprehensive diagnosis of the measuring device is necessary.
- information is to be made available to a higher-level system or to a supervisor of the measuring device, which makes it possible to diagnose the sensor and the transmitter in detail and / or the entire measuring arrangement with regard to the stated requirements.
- the diagnosis should include an assessment of the current state of the measurement arrangement and preferably a prognosis of the future state.
- the measuring arrangement according to the invention comprises at least one sensor for
- a data processing unit which evaluates the sensor signal, wherein
- the data processing unit comprises a data memory in which different types of operating data of the sensor are stored,
- State variables of the measuring arrangement determines where in each of these at least two state variables in each case enter values of at least two different types of operating data, wherein
- the data processing unit further based on the values of at least two State variables classified a state of the measuring device, and the result of the
- the inventive method may be implemented in the measuring arrangement, but in principle also outside of the measuring arrangement in a separate
- the operating data preferably go with a predetermined weight in the
- State variables may be main components that have been determined by means of a principal component analysis.
- the operating data go in one by means of
- Principal Component Analysis determined weighting into the major components. To carry out the principal component analysis can for an ensemble of
- Measurement arrangements and their immediate process environment operating data are included, which belong to a specific and interesting for diagnostic purposes state of a particular class.
- Such classes may, for example, be in need of maintenance (generally), needing calibration, polluted, drifting measured value, measured value dripped off, defective, etc.
- Operating data or characteristics of the measurement arrangements under consideration are, for example
- calibration data such as zero point and span
- Load data of a sensor for example pressure, vibrations, dirt load in the measuring medium, etc.
- All data can be determined by the measuring arrangement or by means of auxiliary sensors and the measuring arrangement can be provided in a suitable manner.
- Operating data for optical sensors are, for example:
- Operating data for amperometric sensors are, for example:
- Load data (temperature, pH, pressure, CIP cycles ?) can also play a role in these sensors.
- Result of the data acquisition is an extensive data table in the line by line, the measurement arrangements (sensors and Messunformer) and column by column the operating data or characteristics for the different measuring arrangements can be found.
- This representation can be viewed geometrically as a multidimensional space in which each measurement arrangement is characterized as a point. Both the geometric representation and the tabular representation contain the complete information.
- the state of a measuring arrangement can be represented as a point on a plane or in, for example, a two to four-dimensional state space.
- the individual dimensions (main components) contain information of several characteristics or operating data and are thus no longer directly physically interpretable as in the complete representation.
- This reduced representation depicts the considerable information content of the sum of the operating data for the evaluation of a measuring arrangement. Operating data with little or no variation are ignored. If the sensors are coded according to their state in this reduced "diagnostic state space", it can be recognized whether these state maps reproduce themselves If this is the case, a simple diagnostic function can be implemented as a classifier in a sensor or a measurement arrangement with a transformation rule derived from the principal component analysis ,
- the state classes can be diagnosed via the transformation and simple classifiers (polynomial of the main components).
- the prediction of times, from which the monitored sensor leave a certain state or from which he will assume a particular state depends on several operating data, which are difficult to describe due to inherent physical and chemical relationships.
- Fig. 1 is a schematic representation of some elements of a measuring arrangement according to the invention.
- FIG. 2 shows a general structure of a feature data matrix for performing a multivariate analysis, in particular a principal component analysis
- FIG. 3 shows an example of a feature matrix for an ensemble of pH sensors for performing a principal component analysis
- Fig. 4 shows the result of the principal component analysis for the ensemble pH sensors from Fig. 3.
- a measuring arrangement according to the invention comprises a
- the operating data may be sensor data such as the measured variable or sensor temperature or sensor impedance, for example, or additional information such as calibration data (slope or zero point) or externally determined process data, for example the number of CIP cycles.
- derived operating data which are of interest for determining the sensor state, can be generated by means of a software module, which is designated as operator 4.
- This derived data may be, for example, differentiated or integrated sensor data or data describing a spectrum or the noise of the sensor.
- the operating data are then fed to a classifier 5, which determines the values of the main components based on the operating data with the respectively required, predetermined weightings (loads).
- a classifier 5 determines the values of the main components based on the operating data with the respectively required, predetermined weightings (loads).
- Main component analysis is performed, which compresses the relevant information and disregards low-content features.
- FIG. 4 The result of the principal component analysis is shown in FIG. In the left part of Fig. 4 it can be seen that the two groups of sensors, namely, "good” and “poor” in the two-dimensional diagnostic state space spanned here, form again separate positions in the diagnostic state space via two main components. A classification according to "good” and “bad” as indicated by the ellipses, can thus in the measuring operation after Determination of the values for the two main components easily done.
- the weighting with which the individual sensor characteristics or operating data enter into the main components is shown in the right-hand part of FIG. 4.
- the predictive diagnosis is the
- Changes in the position of a sensor in the diagnostic state space are evaluated by means of a trend analysis, and a prognosis is made as to when the position will leave the area of the current class or how long it will take to reach the area of another class.
- the diagnostic state space may also include more than two major components, for example, three or four.
- other methods of multivariate analysis can be used instead of the principal component analysis.
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Abstract
Description
Messanordnung mit Zustandsüberwachung und Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Messanordnung Measuring arrangement with condition monitoring and method for condition monitoring of a measuring arrangement
[0001] Die vorliegende Betrifft eine Messanordnung mit Zustandsüberwachung und ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Messanordnung.The subject relates to a measuring arrangement with condition monitoring and a method for condition monitoring of a measuring arrangement.
[0002] Gegenwärtig werden für Messanordnungen, die mindestens einen Sensor und eine Vorrichtung zur Mess Wertverarbeitung, beispielsweise einen Messurrformer umfassen, eine Vielzahl von Diagnosefunktionen bereitgestellt. So gehören heute die Diagnose von Mess- oder Zustandsgrößen mit der Überwachung mittels Warn- und Alarmgrenzwerten eines Minimal- und Maximalwertes zum Stand der Technik. Damit wird die Überwachung einzelner interessierender Sensoreigenschaften gewährleistet.At present, a variety of diagnostic functions are provided for measuring arrangements which comprise at least one sensor and a device for measuring value processing, for example a measuring transducer. For example, the diagnosis of measurement or state variables with the monitoring by means of warning and alarm limit values of a minimum and maximum value are state-of-the-art today. This ensures the monitoring of individual sensor properties of interest.
[0003] Für die Diagnose einzelner, für die Funktion des Systems sehr wichtiger Attribute ist das Verfahren der Vorhersage aufgrund einfacher mathematischer Modelle bekannt, wie beispielsweise in der Patentschrift DE 102 09 318 B4 mit dem Titel „Verfahren zur Ermittlung der verschleißabhängigen Reststandzeit eines elektrochemischen Messsensors" bzw. der Patentschrift DE 101 41 408 B4 mit dem Titel „Verfahren zur Bestimmung der Kalibrier- Intervallzeit von elektrochemischen Messsensoreri" offenbart ist. Dies ermöglicht die Vorhersage eines Zeitpunktes, zu dem ein Grenzwert erreicht bzw. überschritten sein wird.For the diagnosis of individual, for the function of the system very important attributes of the method of prediction based on simple mathematical models is known, such as in the patent DE 102 09 318 B4 entitled "Method for determining the wear-dependent residual life of an electrochemical measuring sensor "or the patent DE 101 41 408 B4 entitled" Method for determining the calibration interval time of electrochemical Messsensoreri "is disclosed. This allows the prediction of a time when a limit will be reached or exceeded.
[0004] Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 012 420 Al mit dem TitelThe published patent application DE 10 2004 012 420 A1 entitled
„Überwachungsvorrichtung für die Belastung von Messsonden durch Einflüsse aus der Messumgebung" berücksichtigt darüber hinaus auch die aktuellen Eigenschaften der Messumgebung sowie die Historie der Prozesskonditionen. In Abhängigkeit eines Belastungsmodells ist somit eine Bewertung der bereits erfolgten Belastung des Messsystems möglich. Basierend auf dieser Bewertung lassen sich Aussagen über die verbleibende Standzeit des Systems ableiten."Monitoring device for the load of measuring probes by influences from the measuring environment" also takes into account the current characteristics of the measuring environment as well as the history of the process conditions.Thus, depending on a load model, an evaluation of the already loaded load of the measuring system is possible Derive statements about the remaining service life of the system.
[0005] Wenngleich die genannten Vorgehensweisen bereits ein gewisses Maß anAlthough the above approaches already to some extent
Diagnosefähigkeit ermöglichen, ist eine verbesserte Kenntnis über den qualitativen Zustand einer Messanordnung im Messbetrieb wünschenswert.To enable diagnostic capability, an improved knowledge of the qualitative state of a measuring arrangement in the measuring mode is desirable.
[0006] In Feid, M.; Pandit, M.: „Systematischer Entwurf eines signalbasiertenIn Feid, M .; Pandit, M .: "Systematic design of a signal-based
Fehlerdiagnosesystems", at - Automatisierungstechnik 54 (2006) 1, Oldenbourg bzw. in Hengen, H.; Feid, M.; Pandit, M.: „Überwacht lernende Klassifikationsverfahren im Überblick", at - Automatisierungstechnik 52 (2004) 3, Oldenbourg werden umfangreiche statistische Ansätze für die Diagnose von Sensorsystemen diskutiert. Die Besonderheit dieser Methoden ist, dass eine umfangreiche Methodik zur Merkmalssuche und anschließend zur Merkmalsauswahl notwendig ist.Fault Diagnosis System ", at - Automatisierungstechnik 54 (2006) 1, Oldenbourg or in Hengen, H .; Feid, M., Pandit, M .:" Monitors Learning Classification Methods at a Glance ", at - Automatisierungstechnik 52 (2004) 3, Oldenbourg Extensive statistical approaches for the diagnosis of sensor systems are discussed. The A special feature of these methods is that a comprehensive methodology for the feature search and then for feature selection is necessary.
[0007] In Schäfer, R.; Jungmann, M.; Werthschützky,R.: „Selbstdiagnose in derIn Schafer, R .; Jungmann, M .; Werthschützky, R .: "Self - diagnosis in the
Durchflussmessung durch Kombination von Wirkdruck- und Vortex-Messung", tm - Technisches Messen 67 (2000) 9, Oldenbourg, wird gezeigt, wie über die Redundanz der Messwerterfassung und die Verfügbarkeit einer Messwerthistorie eine Plausibilitätsprüfung des Messwertes erfolgen kann.Flow measurement by combination of differential pressure and vortex measurement ", tm - Technisches Messen 67 (2000) 9, Oldenbourg, it is shown, how the redundancy of the measured value acquisition and the availability of a measured value history can be used to perform a plausibility check of the measured value.
[0008] Basierend auf den hohen Anforderungen an die Qualität, die Verfügbarkeit und die Sicherheit einer Messeinrichtung und deren Messwert(e) ist eine umfassende Diagnose der Messeinrichtung notwendig. Neben dem Messwert sollen einem übergeordneten System oder einem Betreuer der Messeinrichtung Informationen zur Verfügung gestellt werden, die eine Diagnose des Sensors und des Messumformers im Einzelnen und/oder der gesamten Messanordnung hinsichtlich der genannten Anforderungen ermöglicht.Based on the high demands on the quality, availability and safety of a measuring device and its measured value (e) a comprehensive diagnosis of the measuring device is necessary. In addition to the measured value, information is to be made available to a higher-level system or to a supervisor of the measuring device, which makes it possible to diagnose the sensor and the transmitter in detail and / or the entire measuring arrangement with regard to the stated requirements.
[0009] Zur Erfüllung dieser Anforderung wird erfindungsgemäß die Messanordnung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 8 angegeben.To meet this requirement, the measuring arrangement according to claim 1 and the method according to claim 8 is given according to the invention.
[0010] Die Diagnose soll eine Bewertung des aktuellen Zustandes der Messanordnung und vorzugsweise eine Prognose des zukünftigen Zustandes beinhalten.The diagnosis should include an assessment of the current state of the measurement arrangement and preferably a prognosis of the future state.
[0011] Die Bewertung des aktuellen Zustandes bezieht sich im Wesentlichen aufThe evaluation of the current state relates essentially to
Verfügbarkeit, Sicherheit und Qualität, woraus sich unter anderem auch Aussagen zur Plausibilität des Messwertes und der Glaubwürdigkeit ableiten lassen.Availability, safety and quality, from which statements on the plausibility of the measured value and the credibility can be derived.
[0012] Bei der Prognose eines zukünftigen Zustandes sind die Zeitpunkte, zu denen eine Wartungsmaßnahme (Kalibrierung, Reinigung, Austausch von Verschleißteilen, Erneuerung von Verbrauchsstoffen oder Austausch von Teil-/Gesamtsystems) mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit notwendig sein wird von Interesse.In the prognosis of a future state, the times at which a maintenance measure (calibration, cleaning, replacement of wearing parts, renewal of consumables or replacement of partial / total system) will be necessary with a certain probability of interest.
[0013] Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst mindestens einen Sensor zumThe measuring arrangement according to the invention comprises at least one sensor for
Erfassen einer Messgröße, und Ausgeben eines messgrößenabhängigen Sensorsignals,Detecting a measured variable, and outputting a measured variable-dependent sensor signal,
[0014] eine Datenverarbeitungseinheit welche das Sensorsignal auswertet, wobeiA data processing unit which evaluates the sensor signal, wherein
[0015] die Datenverarbeitungseinheit einen Datenspeicher umfasst, in welchem unterschiedliche Typen von Betriebsdaten des Sensors gespeichert werden,The data processing unit comprises a data memory in which different types of operating data of the sensor are stored,
[0016] die Datenverarbeitungseinheit Werte für mindestens zwei unterschiedlicheThe data processing unit values for at least two different ones
Zustandsgrößen der Messanordnung bestimmt wobei in jede dieser mindestens zwei Zustandsgrößen jeweils Werte von mindestens zwei unterschiedlichen Typen von Betriebsdaten eingehen, wobeiState variables of the measuring arrangement determines where in each of these at least two state variables in each case enter values of at least two different types of operating data, wherein
[0017] die Datenverarbeitungseinheit ferner anhand der Werte der mindestens zwei Zustandsgrößen einen Zustand der Messanordnung klassifiziert, und das Ergebnis derThe data processing unit further based on the values of at least two State variables classified a state of the measuring device, and the result of the
Klassifizierung ausgibt. [0018] Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Messanordnung implementiert sein, grundsätzlich aber auch außerhalb der Messanordnung in einer separatenClassification issues. The inventive method may be implemented in the measuring arrangement, but in principle also outside of the measuring arrangement in a separate
Datenverarbeitungsanlage durchgeführt werden. [0019] Die Betriebsdaten gehen vorzugsweise mit einer vorgegebenen Gewichtung in dieData processing system to be performed. The operating data preferably go with a predetermined weight in the
Zustandsgrößen. [0020] In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können dieState variables. In a presently preferred embodiment of the invention, the
Zustandsgrößen Hauptkomponenten sein, die mittels einer Hauptkomponentenanalyse ermittelt wurden. Die Betriebsdaten gehen in einer mittels derState variables may be main components that have been determined by means of a principal component analysis. The operating data go in one by means of
Hauptkomponentenanalyse ermittelten Gewichtung in die Hauptkomponenten ein. [0021] Zur Durchführung der Hauptkomponentenanalyse können für ein Ensemble vonPrincipal Component Analysis determined weighting into the major components. To carry out the principal component analysis can for an ensemble of
Messanordnungen und deren unmittelbare Prozessumgebung, Betriebsdaten erfasst werden, die zu einem bestimmten und für Diagnosezwecke interessierenden Zustand einer bestimmten Klasse gehören. [0022] Solche Klassen können beispielsweise wartungsbedürftig (allg.), kalibrierungsbedürftig, verschmutzt, driftender Messwert, weggedrifteter Messwert, defekt, etc. sein. [0023] Betriebsdaten bzw. Merkmale der betrachteten Messanordnungen sind beispielsweiseMeasurement arrangements and their immediate process environment, operating data are included, which belong to a specific and interesting for diagnostic purposes state of a particular class. Such classes may, for example, be in need of maintenance (generally), needing calibration, polluted, drifting measured value, measured value dripped off, defective, etc. Operating data or characteristics of the measurement arrangements under consideration are, for example
• direkt messbare Größen wie zum Beispiel Innenwiderstand, Ruhestrom elektrische Leistung, und Temperatur• directly measurable quantities such as internal resistance, closed circuit electric power, and temperature
• physikalisch ableitbare Größen wie zum Beispiel pH- Wert, Rauschen• Physically derivable quantities such as pH value, noise
• aus der Historie mathematisch ableitbare Größen wie zum Beispiel Mittelwerte, Variation, zeitliche Trends Ableitungen und• Mathematically derivable quantities from history such as mean values, variation, temporal trends, derivatives and
• weitere statistische und modellbasierte Größen.• other statistical and model-based quantities.
[0021-] Weitere Betriebsdaten sind Kalibrierdaten wie Nullpunkt und Spanne,[0021-] Further operating data are calibration data such as zero point and span,
Belastungsdaten eines Sensors, beispielsweise Druck, Vibrationen, Schmutzfracht im Messmedium, usw.Load data of a sensor, for example pressure, vibrations, dirt load in the measuring medium, etc.
[0025] Sämtliche Daten können von der Messanordnung oder mittels Hilfssensoren ermittelt werden und der Messanordnung in geeigneter Weise bereitgestellt werden.All data can be determined by the measuring arrangement or by means of auxiliary sensors and the measuring arrangement can be provided in a suitable manner.
[0026] Betriebsdaten für optische Sensoren sind beispielsweise:Operating data for optical sensors are, for example:
[0027] Verschmutzungsgrad eines ProzessfenstersPollution degree of a process window
[0028] Alter einer LED/einer Photodiode oder Leuchtstärke (eines Referenzsignals)Age of an LED / photodiode or luminosity (of a reference signal)
[0029] Kalibrationskennwerte [0030] dynamische Kenngrößen (Zeitkonstante).[0029] Calibration characteristics Dynamic characteristics (time constant).
[0031] Betriebsdaten für für amperometrische Sensoren sind beispielsweise:Operating data for amperometric sensors are, for example:
[0032] MembranwiderstandMembrane resistance
[0033] Stromintegral (Elektrolytalterung)Current integral (electrolyte aging)
[0034] dynamische Kenngrößen[0034] dynamic characteristics
[0035] Potentialdifferenz Anode-Ref. -> Schichtaufbau bei SauerstoffsensorPotential difference anode ref. -> layer structure at oxygen sensor
[0036] Auch bei diesen Sensoren können Belastungsdaten (Temperatur, pH- Wert, Druck, CIP-Zyklen...) eine Rolle spielen.Load data (temperature, pH, pressure, CIP cycles ...) can also play a role in these sensors.
[0037] Resultat der Datenerfassung ist eine umfangreiche Datentabelle in der zeilenweise die Messanordnungen (Sensoren und Messunformer) und spaltenweise die Betriebsdaten bzw. Merkmale für die verschiedenen Messanordnungen zu finden sind. Diese Darstellung kann geometrisch als ein vieldimensionaler Raum angesehen werden, in dem jede Messanordnung als ein Punkt charakterisiert ist. Sowohl die geometrische Darstellung als auch die tabellarische Darstellung beinhaltet die vollständige Information.Result of the data acquisition is an extensive data table in the line by line, the measurement arrangements (sensors and Messunformer) and column by column the operating data or characteristics for the different measuring arrangements can be found. This representation can be viewed geometrically as a multidimensional space in which each measurement arrangement is characterized as a point. Both the geometric representation and the tabular representation contain the complete information.
[0038] Zur Auswertung dieser Daten wird eine Hauptkomponentenanalyse der Daten durchgeführt, aus der beispielsweise zwei bis vier Hauptkomponenten resultieren. Eine Allgemeine Darstellung der Hauptkomponentenanalyse ist beispielsweise in Backhaus, K.; Erichson, B.; Plinke, W.; Weiber, R.: „Multivariate Analysemethoden Eine anwendungsorientierte Einführung", 2006, Springer, gegeben. Als mathematisches Verfahren zur Auswertung ist beispielsweise das so genannte NIPALS -Verfahren geeignet.To evaluate this data, a principal component analysis of the data is carried out, resulting in the example of two to four main components. A general presentation of the principal component analysis is, for example, in Backhaus, K .; Erichson, B .; Plinke, W .; Weiber, R .: "Multivariate Methods of Analysis An application-oriented introduction", 2006, Springer, given as a mathematical method for evaluation, for example, the so-called NIPALS method is suitable.
[0039] Mittels der Hauptkomponentenanalyse wird identifiziert, welche Betriebsdaten in die Definition eines Zustands einer Messanordnung in welchem Maße eingehen. Insoweit als die Anzahl der Hauptkomponenten geringer ist, als die Anzahl der Typen von Betriebsdaten bzw. Merkmalen wird durch die Hauptkomponentenanalyse die Zahl der Dimensionen zur Bewertung einer Messanordnung auf ein praktikables Maß reduziert.By means of the principal component analysis it is identified which operating data enter into the definition of a state of a measuring arrangement to what extent. Insofar as the number of main components is less than the number of types of operational data or characteristics, the number of dimensions for evaluating a measuring arrangement is reduced to a practical level by the principal component analysis.
[0040] Der Zustand einer Messanordnung ist im Ergebnis als Punkt auf einer Ebene bzw. in einem beispielsweise zwei bis vierdimensionalen Zustandsraum darstellbar. Die einzelnen Dimensionen (Hauptkomponenten) beinhalten Informationen mehrerer Merkmale bzw. Betriebsdaten und sind somit nicht mehr wie in der vollständigen Darstellung direkt physikalisch interpretierbar.As a result, the state of a measuring arrangement can be represented as a point on a plane or in, for example, a two to four-dimensional state space. The individual dimensions (main components) contain information of several characteristics or operating data and are thus no longer directly physically interpretable as in the complete representation.
[0041] Mit dieser reduzierten Darstellung wird der zur Beurteilung einer Messanordnung erhebliche Informationsgehalt der Summe der Betriebsdaten abgebildet. Betriebsdaten mit geringer oder keiner Variation werden nicht beachtet. Werden die Sensoren entsprechend ihres Zustandes codiert in diesem reduzierten „Diagnosezustandsraum" dargestellt, ist erkennbar, ob sich diese Zustandskiassen wieder abbilden. Ist dies der Fall kann mit einer aus der Hauptkomponentenanalyse abgeleiteten Transformationsvorschrift ein einfaches Diagnosefunktional als Klassifikator in einem Sensor oder einer Messanordnung implementiert werden.This reduced representation depicts the considerable information content of the sum of the operating data for the evaluation of a measuring arrangement. operating data with little or no variation are ignored. If the sensors are coded according to their state in this reduced "diagnostic state space", it can be recognized whether these state maps reproduce themselves If this is the case, a simple diagnostic function can be implemented as a classifier in a sensor or a measurement arrangement with a transformation rule derived from the principal component analysis ,
[0042] Die Zustandskiassen sind über die Transformation und einfache Klassifikatoren (Polynom der Hauptkomponenten) zu diagnostizieren.The state classes can be diagnosed via the transformation and simple classifiers (polynomial of the main components).
[0043] In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Vorhersage von Zeitpunkten, ab dem der überwachte Sensor einen bestimmten Zustand verlassen bzw. ab dem er einen bestimmten Zustand einnehmen wird. Meist hängen die Sensorzustände von mehreren Betriebsdaten ab, die aufgrund inhärenter physikalischer und chemischer Zusammenhänge nur schwer beschreibbar sind. Durch die Transformation des betrachteten Sensors in den Raum der Hauptkomponenten werden alle inhärenten Zusammenhänge mit abgebildet und die Vorhersage wird, mit zum Teil einfachen mathematischen Modellen wie z.B. der linearen Regression möglich.In one embodiment of the invention, the prediction of times, from which the monitored sensor leave a certain state or from which he will assume a particular state. In most cases, the sensor states depend on several operating data, which are difficult to describe due to inherent physical and chemical relationships. By transforming the considered sensor into the space of the main components, all inherent relationships are mapped and the prediction becomes, with partly simple mathematical models such as e.g. linear regression possible.
[0044] Darüber hinaus ist auf diese Art ein so genanntes Diagnose-Teaching möglich. D.h., wenn ein sich im Betrieb befindlicher Sensor vom Bediener manuell aufgrund von Erfahrung oder Spezialwissen als nicht mehr korrekt funktionierend bewertet wird, können seine Merkmale vermessen werden und somit der Datenpool erweitert werden. So ist bei leistungsfähigen Messeinrichtungen das Quittieren von vagen Diagnosemeldungen und somit ein Lernen möglich. Sensorzustände, bei denen die einzelnen Merkmale die jeweiligen Grenzwerte nicht überschreiten; können somit aufgrund ihrer inneren Zusammenhänge oder Historie korrekt bewertet werden.In addition, a so-called diagnostic teaching is possible in this way. That is, when an in-use sensor is manually judged by the operator to be out of order due to experience or expertise, its characteristics can be measured and thus the data pool expanded. Thus, with powerful measuring devices, the acknowledgment of vague diagnostic messages and thus learning is possible. Sensor states in which the individual characteristics do not exceed the respective limit values; Thus, due to their internal relationships or history can be correctly evaluated.
[0045] Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispiels erläutert.The invention will now be explained with reference to an exemplary embodiment shown in the drawings.
[0046] Es zeigt:It shows:
[0047] Fig. 1 eine schematische Darstellung einiger Elemente einer erfindungsgemäßen Messanordnung;Fig. 1 is a schematic representation of some elements of a measuring arrangement according to the invention;
[0048] Fig. 2 eine allgemeine Struktur einer Merkmals- bzw. Betriebsdatenmatrix zur Durchführung einer multivariaten Analyse, insbesondere einer Hauptkomponentenanalyse;FIG. 2 shows a general structure of a feature data matrix for performing a multivariate analysis, in particular a principal component analysis; FIG.
[0049] Fig. 3 ein Beispiel einer Merkmalsmatrix für ein Ensemble von pH-Sensoren zur Durchführung einer Haupkomponentenanalyse; undFIG. 3 shows an example of a feature matrix for an ensemble of pH sensors for performing a principal component analysis; FIG. and
[0050] Fig. 4 das Ergebnis der Hauptkomponentenanalyse für das Ensemble pH-Sensoren aus Fig. 3.Fig. 4 shows the result of the principal component analysis for the ensemble pH sensors from Fig. 3.
[0051] Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst eine erfindungsgemäße Messanordnung einenAs shown in FIG. 1, a measuring arrangement according to the invention comprises a
Sensor 1 und eine Datenverarbeitungseinheit 2 mit einem Datenspeicher 3, in welchem die Messgröße, und weitere Betriebsdaten gespeichert werden. Die Betriebsdaten können einerseits Sensordaten wie die Messgröße oder beispielsweise Sensortemperatur oder Sensorimpedanz sein, oder Zusatzinformationen wie beispielsweise Kalibrierdaten (Steigung oder Nullpunkt) oder extern ermittelte Prozessdaten, beispielsweise die Zahl von CIP-Zyklen. Aus den im Datenspeicher hinterlegten Betriebsdaten und Datenhistorien können mittels eines Softwaremoduls, welches als Operator 4 bezeichnet ist, abgeleitete Betriebsdaten generiert werden, die zur Bestimmung des Sensorzustands von Interesse sind. Diese abgeleiteten Daten können beispielsweise differenzierte oder integrierte Sensordaten sein oder Daten, die ein Spektrum oder das Rauschen des Sensors beschreiben. Die Betriebsdaten werden dann einem Klassifikator 5 zugeflihrt, der anhand der Betriebsdaten mit den jeweils erforderlichen, vorgegebenen Gewichtungen (Loadings) die Werte der Hauptkomponenten, ermittelt. Damit ist die Position des Sensors bzw. der Massanordnung im Zustandsraum festgelegt, und der Klassifikator kann anhand der Position im Zustandsraum die Klassifizierung des Zustands durchfuhren.Sensor 1 and a data processing unit 2 with a data memory 3, in which the measured variable, and other operating data are stored. On the one hand, the operating data may be sensor data such as the measured variable or sensor temperature or sensor impedance, for example, or additional information such as calibration data (slope or zero point) or externally determined process data, for example the number of CIP cycles. From the operating data and data histories stored in the data memory, derived operating data, which are of interest for determining the sensor state, can be generated by means of a software module, which is designated as operator 4. This derived data may be, for example, differentiated or integrated sensor data or data describing a spectrum or the noise of the sensor. The operating data are then fed to a classifier 5, which determines the values of the main components based on the operating data with the respectively required, predetermined weightings (loads). Thus, the position of the sensor or the mass arrangement is determined in the state space, and the classifier can carry out the classification of the state based on the position in the state space.
[0052] Welche Betriebsdaten zur Bewertung des Sensorzustands mit welcher Gewichtung beachtlich sind wird für einen Bestimmten Sensortyp mit einer multivariaten Analyse, insbesondere Hauptkomponentenanalyse anhand eines hinreichend großen Ensembles von Messanordnungen dieses Sensortyps ermittelt.Which operating data for the evaluation of the sensor state with which weighting are considerable is determined for a specific sensor type with a multivariate analysis, in particular principal component analysis on the basis of a sufficiently large ensemble of measuring arrangements of this sensor type.
[0053] Dazu werden mehrere als ,gut" befundene Sensoren und mehrere als „schlecht" befundene Sensoren in ihren Merkmalen vermessen, wie in Fig. 2 allgemein und in Fig. 3 für das Beispiel eines pH-Sensors dargestellt ist.For this purpose, several as "well" found sensors and several as "bad" found sensors measured in their characteristics, as shown in Fig. 2 in general and in Fig. 3 for the example of a pH sensor.
[0054] Ohne Grenzwerte für die einzelnen Merkmale festzulegen, wird eineWithout setting limit values for the individual features, a
Hauptkomponentenanalyse durchgeführt, wodurch die relevanten Informationen verdichtet werden, und Merkmale mit geringem Informationsgehalt unbeachtet bleiben.Main component analysis is performed, which compresses the relevant information and disregards low-content features.
[0055] Das Ergebnis der Hauptkomponentenanalyse ist in Fig. 4 dargestellt. Im linken Teilbild der Fig. 4 ist wird erkennbar, dass sich die zwei Gruppen von Sensoren, nämlich ,gut" und „schlecht" im hier aufgespannten zweidimensionalen Diagnosezustandsraum über zwei Hauptkomponenten wieder als getrennte Positionen im Diagnosezustandsraum formieren. Eine Klassifizierung nach ,gut" und „schlecht" wie sie durch die Ellipsen angedeutet ist, kann damit im Messbetrieb nach Bestimmung der Werte flir die beiden Hauptkomponenten ohne weiteres erfolgen. Die Gewichtung, mit der die einzelnen Sensormerkmale bzw. Betriebsdaten in die Hauptkomponenten eingehen, ist im rechten Teilbild der Fig. 4 dargestellt.The result of the principal component analysis is shown in FIG. In the left part of Fig. 4 it can be seen that the two groups of sensors, namely, "good" and "poor" in the two-dimensional diagnostic state space spanned here, form again separate positions in the diagnostic state space via two main components. A classification according to "good" and "bad" as indicated by the ellipses, can thus in the measuring operation after Determination of the values for the two main components easily done. The weighting with which the individual sensor characteristics or operating data enter into the main components is shown in the right-hand part of FIG. 4.
[0056] In einer Weiterbildung der Erfindung wird zur prädiktiven Diagnose dieIn a further development of the invention, the predictive diagnosis is the
Veränderung der Position eines Sensors im Diagnosezustandsraum mittels einer Trendanalyse ausgewertet, und es wird eine Prognosen erstellt, wann die Position den Bereich der aktuellen Klasse verlassen wird, bzw. wie lange es noch bis zum Erreichen des Bereichs einer anderen Klasse dauert.Changes in the position of a sensor in the diagnostic state space are evaluated by means of a trend analysis, and a prognosis is made as to when the position will leave the area of the current class or how long it will take to reach the area of another class.
[0057] Das Ausflihrungsbeispiel wurde unter Bezugnahme auf dieThe embodiment has been described with reference to FIGS
Hauptkomponentenanalyse mit zwei Hauptkomponenten beschrieben. Selbstverständlich kann der Diagnosezustandsraum auch mehr als zwei Hauptkomponenten umfassen, beispielsweise drei oder vier. Anstelle der Hauptkomponentenanalyse sind grundsätzlich auch andere Verfahren der multivariaten Analyse anwendbar. Main component analysis with two main components described. Of course, the diagnostic state space may also include more than two major components, for example, three or four. In principle, other methods of multivariate analysis can be used instead of the principal component analysis.
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