分析传感器的预测寿命的制作方法

背景技术：

过程分析传感器为各种工业过程提供测量分析。过程分析传感器通过放置在过程流中来操作，以测量或检测过程流的给定特征。过程分析传感器可用于各种工业过程中的各种过程混合物，包括液体、气体、固体或其组合。特别是它们可用于化学过程、发电厂、精炼、食品和饮料加工、制药加工以及水和废水处理。

过程分析传感器的退化速率极大地依赖于许多外界因素。过程分析传感器可以根据如过程流体的温度、流量、化学组成、曳出流体的存在、流体的ph水平以及许多其它因素而较快或较慢地退化。传感器经历的一些退化包括但不局限于膜片和电解质溶液老化、化学侵蚀以及传感器的涂覆或塞住。在ph传感器中，例如，由于传感器变得被涂覆时的参考阻抗或者由于ph斜率退化，传感器精度可能随时间而降低。这会导致系统的测量误差、损伤和潜在危险。用户负责对其传感器提供维护，或负责在校准传感器时跟踪值(诸如ph斜率、ph偏差等等)。用于传感器维护或替换的当前推荐依赖于固定时间表，并且许多用户手册指出最佳维护频率最好凭经验确定。

技术实现要素：

一种过程分析系统，包括：被配置成感测流体特征的分析传感器。所述过程分析系统还包括测量电路，所述测量电路联接到所述分析传感器并且被配置成产生所述流体特征的指示。所述过程分析系统包括处理器，所述处理器联接到所述测量电路、被配置成接收所述流体特征的指示并且基于所述流体特征的指示来计算传感器相关的输出。另外，所述过程分析系统包括诊断部件，所述诊断部件被配置成基于所述传感器相关的输出和参考值来确定所述分析传感器的退化速率，其中所述退化速率与预先选择的阈值比较。

附图说明

图1是示出过程环境内的ph传感器的一个示例的局部剖视图。

图2a是示出ph传感器的一个示例的侧视图。

图2b是示出ph传感器的一个示例的横截面图。

图3是示出示例过程分析传感器系统的简化框图。

图4a是示出ph斜率退化的示例曲线图。

图4b是示出ph传感器参考涂层的示例曲线图。

图5例示了确定给定的过程分析传感器的健康寿命的示例方法。

图6例示了确定传感器退化速率的示例方法。

具体实施方式

过程分析传感器通常部署在过程环境中。这些传感器典型地随时间退化，并且需要维护或替换。但是，用于维护或替换的当前推荐不提供准确时间选择，特别是因为退化速率极大地依赖于许多不同外界因素。实际上，用于维护或替换的许多当前推荐依赖于固定时间表，并且许多用户手册指出最佳维护频率最好凭经验确定。但是，由于退化速率极大地依赖于各过程专有的外界因素，需要传感器的更准确且预测性的健康寿命。通过预测且向用户显示传感器的健康寿命，用户可以更好地准备需要对传感器进行维护的时刻。这将潜在地延长维护访问之间的周期，这可以节省用户维护资源、时间以及在可能还不需要时订购新部件的不便。这对于那些还不熟悉他们可对他们的传感器期望的健康寿命的新客户尤其有用，并且在具有可变过程流体的应用中特别有用。

要求维护和替换的一个这种类型的过程分析传感器是ph传感器。以下描述中的大部分涉及ph传感器的使用。但是，本领域技术人员将理解，ph传感器仅用作示例，以下的系统和方法也可以结合其它传感器使用。

ph是溶液酸度或碱度的度量，并且可使用ph敏感电极确定。ph传感器用在过程控制系统中，来测量过程流体的氢或羟离子含量。ph传感器通常采用至少两个电极，离子选择性电极(ph电极)和参考电极。在一示例中，ph电极利用ph敏感玻璃，与过程流体接触，形成与过程流体的ph成比例的电势(电压)。参考电极为ph电极提供已知的参考电势。ph电极和参考电极的电势差提供与过程流体的ph成比例的毫伏信号。

随着时间流逝，ph电极会经历老化，这可导致电极的电气特性变化。例如由于在高温中使用、ph电极在具有高酸度或高碱度的过程流体中操作或者ph电极在不使用时的误操纵(例如，不恰当清洁和贮存程序)，可能导致或加速电极老化。例如，电极老化可导致阻抗和响应时间增加、斜率衰退(尤其在碱性区域)以及不对称电势偏移。另外，电极老化可表示ph电极膜片玻璃的化学组成变化、内部膜片凝胶层的稳定成长、以及测量和清洁期间膜片外部凝胶层的化学或机械诱发损坏。随时间流逝，暴露于过程流体的电极可变得被涂覆，这可导致电极电阻增加。电极还可以变得破裂或断裂，这可导致电极电阻急剧减小。随着电极劣化，传感器准确测量ph的能力也劣化，从而引起不准确或不一致的ph水平测量值。

为了适应这种劣化并且准确了解或估计需要替换传感器的时间，可能有益的是知道传感器的退化速率。给定的过程分析传感器的退化速率可以在校准期间或在过程操作期间来确定。在校准期间或在过程操作期间，检测诸如ph的流体特性。然后，基于流体特性(例如ph)计算传感器相关的输出，诸如ph斜率趋势、偏差、ph玻璃阻抗或参考阻抗。这些传感器相关的输出可在校准期间或在过程中(即在操作期间)获得。传感器相关的输出与先前的传感器相关的输出比较，或者与用于新传感器的已知的参考点比较。然后，统计分析(诸如最小二乘拟合回归)可应用于传感器相关的输出和/或参考点，以计算传感器的退化速率。退化速率可用于确定传感器的健康寿命。例如，退化速率可用于计算在传感器将退化至不可接受精度的点(预先选择为阈值)以前的时间。在传感器退化经过不可接受精度的点(即，预先选择的阈值)时，则确定传感器有缺陷，需要检修或替换。

图1是示出过程环境内的分析传感器的一个示例的局部剖视图。直流式嵌装件设备100包括过程流体管道107。过程流体流过过程流体管道107，并且流过嵌装件112。直流式嵌装件112联接在联接接合部108和109处。联接接合部109示出螺纹联接组件110，由此直流式嵌装件112联接到过程流体管道107。直流式嵌装件设备100另外装有ph传感器101，ph传感器101使用螺纹联接组件111联接到直流式嵌装件112。ph传感器101包括ph电极组件103，ph电极组件103暴露于过程流体以感测过程流体的ph。ph传感器101通过其经由电力和通信缆线102到电源的连接而被供电。电力和通信缆线102允许ph传感器101与控制室、变送器、测量电路、处理器、诊断部件和各种其它电子器件通信。传感器电子器件可位于传感器的端部，或者模拟传感器信号可通过缆线(如电力和通信缆线102)发送到远程布置的电子器件。在这些电子器件中完成诊断。虽然示出使用缆线，但可使用其它的电力和通信技术，诸如但不局限于内部电池电源或无线通信。

阀104和105控制过程流体在直流式嵌装件112内的流动。阀104和105可用于停止流体流到直流式嵌装件112，以允许清洁、维护或替换ph传感器101。虽然示出了螺纹联接组件，但预期可以使用各种替代联接方法，诸如但不局限于焊接、法兰盘、压配合、螺栓、螺钉、紧固件或任何其它令人满意的方法。

虽然图1示出了直流式嵌装件设备，但应理解，这仅是可使分析传感器暴露于过程流体的技术的一个示例。其它这样的技术可包括但是不局限于直接过程管道安装、低流量池、低流量板、流体罐安装、过程流体提取和直接暴露，以及任何其他令人满意的技术。

图2a是示出ph传感器的一个示例的侧视图。ph传感器101包括电力和通信缆线102、温度元件113、螺纹接头111和ph电极组件103。ph电极组件103包括ph电极和参考电极。

典型的ph传感器通常由ph电极和参考电极构成，其各自具有在其端部上具有氯化银涂层的银线。ph电极具有：在水溶液中的内部填充氯化物缓冲剂，具有通常ph约为7的选定ph；和ph敏感玻璃，所述ph敏感玻璃围绕内部银线和氯化物缓冲剂。参考电极具有容器，所述容器包括在水溶液中的内部填充氯化钾参考溶液。ph敏感的玻璃泡包围并且接触内部氯化物缓冲剂，然后放入在外部液体样品或过程流体中，以测量ph。所述ph具有两个水合凝胶层，一个层在内表面上，另一个层在外表面上。

当在两个水合凝胶层之间形成电势差时，完成实际ph感测。氢离子本身不存在于水溶液中。其关联于水分子，而形成水合氢离子。当水合氢离子足够接近玻璃泡表面从而氢离子跳跃并与设置在玻璃泡表面上的外部水合凝胶层中的水合氢离子相关联时，玻璃包围的ph电极形成电势。这种薄凝胶层对于电极响应是重要的。

图2b是示出ph传感器的一个示例的横截面图。ph传感器120包括参考电极121、ph电极122、参考溶液123(诸如水溶液中的氯化钾)、内部缓冲剂124(诸如水溶液中的氯化物缓冲剂)、玻璃膜片125(其典型地具有两个水合凝胶层)和参考接合部126。参考接合部允许过程流体或样品溶液与参考溶液之间的电化学相互作用。

图3是示出示例过程分析传感器系统的简化框图。过程分析传感器系统300包括ph传感器302，ph传感器302电联接到传感器系统电子器件310。传感器系统电子器件310如所示的包括模拟/数字转换器304，其接收来自ph传感器302的信号并将所述信号从模拟转换成为数字。电子器件310另外包括时钟308，时钟308为分析传感器系统300接收的信号和输出的信号提供时间戳。在一些实施例中，ph和传感器相关的输出的测量值是温度相关的。可以提供温度元件306，以测量要确定ph水平的过程流体的温度。微处理器系统350可利用来自温度元件306的信号来相应地补偿ph。电子器件310还包含对传感器系统电子器件310和ph传感器302提供电力的电源312。

传感器系统电子器件310还包含微处理器系统350，微处理器系统350从ph传感器302经由模拟/数字转换器304接收信号，并提供ph传感器的退化速率。微处理器系统350包括测量电路352、信号处理器354、诊断部件356和存储器358。测量电路352接收来自ph传感器302的信号(诸如毫伏)，并基于接收的来自ph传感器302的信号产生过程流体的ph的指示。信号处理器354从测量电路352接收ph的指示，并且计算传感器相关的输出(例如，斜率趋势、偏差、ph玻璃阻抗和/或参考阻抗)。先前的传感器相关的输出和已知的参考点(例如，新传感器的已知参考点)可存储在存储器358中。先前的传感器相关的输出由ph传感器302或者在通过暴露于过程流体的过程中或者在通过暴露于已知值ph溶液的校准期间取回。诊断部件356通过对传感器相关的输出以及传感器的先前的传感器相关的输出或新传感器的已知的参考点应用统计分析(诸如最小二乘拟合回归)，确定ph传感器302的退化速率。保持传感器相关的输出、参考点、ph指示、传感器信号等等的存储记忆对于用户将是有利的，因为它将增加效率，并且提供历史数据以跟踪操作费用和趋势。最后，诊断部件356使用所确定的退化速率以预测ph传感器302的健康寿命(例如，在传感器达到不可接受精度的点以前的时间)。不可接受精度的点可以是用户可选的，或由制造商设定，其可以是基于来自存储器358的历史数据、制造商推荐或者由用户确定的不可接受精度水平。

输入/输出逻辑部分314能够从微处理器系统350接收信息(例如，ph指示、斜率趋势、偏差、阻抗、毫伏、退化速率和健康寿命)，并将其传送给控制室或显示器(诸如lcd显示器)或变送器。输入输出逻辑部分314可以经由有线环路316或以无线方式通信。

图4a是显示ph传感器的ph斜率退化的示例曲线图。曲线图400可以由校准过程(例如，如下所述的校准过程)中收集的校准点(例如，401、402、403和404)填充。曲线图400包括x轴408和y轴410。y轴410表示ph斜率(由相对ph7的每ph单位变化的mv输出确定)。x轴408表示时间的进展。在校准期间，将ph传感器暴露于具有已知值ph(例如，4.00、7.00或10.00)的缓冲剂中。使用能斯特方程，可以确定ph传感器的偏差和斜率。理论上，在7.00的ph处的偏差应该为0mv，斜率应该是每ph单位变化为59.16mv。如图4a所示，曲线图400示出了校准点401、402、403和404。在校准点401处，时间值是2，ph斜率是每ph单位变化近似59mv。在校准点402处，时间值是4，ph斜率是每ph单位变化近似54mv。在校准点403处，时间值是6，ph斜率是每ph单位变化近似49mv。在校准点404处，时间值是8，ph斜率是每ph单位变化近似44mv。曲线图400还示出了预先选择的性能阈值405。处理器354计算给定校准时间处的斜率(基于来自测量电路352的ph或mv的指示)。然后，基于传感器相关的输出(如ph斜率)和先前的传感器相关的输出(如ph斜率)或新传感器的已知的参考点(例如，且在理论上，新传感器应该具有的ph斜率为每ph单位变化59.16mv)，诊断部件356通过外推函数406(例如，最小二乘拟合回归)确定ph传感器的退化速率。通过外推这一函数，诊断部件356能够将其与预先选择的阈值(如405)比较，以预测ph传感器的健康寿命(即，传感器的退化将满足阈值的时间)。另外，最大偏差可用作健康寿命的指示。在校准期间可以趋向于该偏差，其中最大偏差用作阈值，例如制造商推荐60mv的最大偏差。

虽然图4a示出了函数406为线性的，但应指出，传感器随着时间的退化速率可以不是线性的。由于退化速率依赖于外界因素，因此时间点之间的变化率是可变的。虽然需要仅两个参考点来外推函数(例如，在过程中或在校准期间获得的一个传感器相关的输出，以及新传感器的已知的参考点)，但通过过程分析传感器系统获得的参考点越多，则健康寿命的预测将越准确。

图4b是示出ph传感器的ph传感器参考涂层的示例曲线图。曲线图450可以由过程中收集的参考点(例如，451、452、453、454、455、456、457、458和459)填充。曲线图450包括x轴466和y轴468。y轴468表示以kohms(千欧姆)测量的阻抗。x轴466表示时间进展。阻抗随时间增加，特别是当传感器变得被涂覆时。被涂覆的参考电极接合部可导致慢的响应、测量值偏离和测量误差。该值是在过程中测量，并且在一个实施例中，连续地取得数据，并且如果过程分析传感器系统确定了任何的不健康或困难的趋势，则通知用户。虽然图4b使用参考阻抗示出ph传感器参考涂层，但预期ph电极阻抗也可以测量并用以确定ph传感器的健康寿命。

曲线图450示出了在不同时刻取得的多个参考点。特别是，t0处的参考点451、t0.5处的参考点452、t1处的参考点453、t1.5处的参考点454、t2处的参考点455、t2.5处的参考点456、t3处的参考点457、t3.5处的参考点458以及t4处的参考点459。参考点451是新ph传感器的已知的开始阻抗的示例表示，为近似40千欧姆。随着时间流逝，以千欧姆测量的参考阻抗开始增加，在参考点459处达到近似110千欧姆。函数460是最小二乘拟合回归的示例性表示。曲线图450还示出了近似140千欧姆的预先选择的性能阈值462。用户可以对参考阻抗预先选择性能阈值，并且过程分析传感器系统可以基于退化速率与预先选择的阈值的比较提供ph传感器的健康寿命。在一个实施例中，在健康寿命在某一阈值内时，过程分析传感器系统可以对用户提供警告。

另外，ph玻璃阻抗可使用并趋向于作为传感器健康寿命的指示。参考阻抗及ph玻璃阻抗可以单独测量。两者可给出ph传感器的健康寿命的指示。并且两者可在过程中(即在操作期间)测量。

虽然图4a和图4b示出了ph斜率和参考阻抗，但预期其它参考点可用于确定ph传感器的健康寿命。特别地，这些示例包括但是不局限于ph偏差、传感器响应的延迟时间、传感器的稳定时间等等。

图5例示了确定给定的过程分析传感器的健康寿命的示例方法。方法500在方框502处开始，其中获得传感器相关的输出。传感器相关的输出可以是ph偏差550、ph斜率552、阻抗554或其它参数556(可包括但不局限于传感器的时间延迟或传感器的稳定时间)。在502处获得传感器相关的输出之后，方法500继续进行到方框504，其中基于所述传感器相关的输出确定退化速率。如以上指出的，预期可以基于一个传感器相关的输出和新传感器的先前已知的参考点(诸如ph7.00处0mv，或者每ph单位59.16mv)，确定退化速率。但是，在502处获得的传感器相关的输出越多，则分析将越准确。在504处确定退化速率之后，方法移动到方框506，其中将退化速率与预先选择的性能阈值比较。在方框506处将退化速率与预先选择的性能阈值比较之后，方法移动到方框508，其中确定传感器的健康寿命。健康寿命是在退化速率满足所述预先选择的性能阈值(例如，不可接受精度的水平)以前的剩余时间。时间单位不受限，并且可以预期秒、分钟、小时、天、星期、月、年等等。

在方框508处确定传感器的健康寿命之后，方法500继续进行到方框510处，其中确定传感器的健康寿命是否在预先选择的通知阈值内。该预先选择的通知阈值可以是基于时间的，其中，例如用户选择7天作为阈值。如果传感器的健康寿命是7天或更少，则方法将移到方框512，其中将自动产生通知以向用户报告。如果健康寿命大于7天，则方法500继续进行方框到514处，其中信息输出将发送到用户(经由显示器，经由到控制室的环路，以无线方式等等)。时间单位不受限，并且可以预期秒、分钟、小时、天、星期、月、年等等。

方框510处的预先选择的通知阈值也不局限于时间单位。其也可以是基于值的通知阈值。例如，如果阻抗是基于传感器的输出，则用户可以对方框510选择通知阈值，该通知阈值确定方框506处的预先选择的性能阈值与基于传感器的输出的值之间的差异单位。再回到图4b以图解说明，用户可以选择20千欧姆的方框510通知阈值，及140千欧姆的方框506性能阈值。如果基于传感器的输出(即，以千欧姆测量的阻抗)在20千欧姆的方框506性能阈值内，则在方框512处将产生警报。另外预期即使当健康寿命不在预先选择的通知阈值内时，也可在方框512处产生通知。例如，如果用户选择7天作为通知阈值，但校准仅每10天发生一次，并且健康寿命是8天，则可在方框512处产生警报，因为传感器的健康寿命将在下一校准之前期满。

另外，ph玻璃阻抗和参考阻抗可在过程中完成，而不是仅在校准期间完成。两者或任一者的连续测量可在过程中(即在操作期间)以设定间隔或随机间隔发生。来自那些测量的参考点可趋向于作为传感器健康寿命的指示。

此外，可以从已知样品溶液(例如，具有已知ph的样品溶液)或者从未知样品溶液(例如，不具有已知ph的样品溶液(如过程流体))获得传感器相关的输出。

图6例示了确定传感器的退化速率的示例方法。方法600在方框602处开始，其中获得数据点。数据点可以是先前的传感器相关的输出620或已知的参考点622(例如，新传感器的参考点，诸如ph7处0mv)。数据点可以在过程中获得624，在校准期间获得626，或者从存储器(诸如图3中的存储器358)获得628。方法600继续进行到方框604处，其中获得传感器相关的输出。传感器相关的输出可以是ph偏差640、ph斜率642、阻抗644或其它646(诸如但不局限于ph传感器稳定需要花费的时间，或者接收来自ph传感器的响应的时间延迟)。方法600继续进行到方框606处，其中基于获得的数据点602和获得的传感器相关的输出604外推出函数。应注意到，预期获得多于一个数据点和多于一个传感器相关的输出。获得多个数据点和传感器相关的输出是有利的，因为其提高了外推函数606的精度。外推函数606可包括最小二乘拟合回归660、线性函数662或其它已知外推法664。方法600继续进行到方框608处，其中基于外推函数606确定退化速率。

虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行变化。另外，虽然已经一般地关于ph传感器描述了本发明实施例，但这些实施例适用其中传感器的退化速率依赖于外界因素且传感器相关的输出可用于确定退化速率的任意过程分析传感器。