Tankuhr für Sensoren

Gero Sagasser

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Sensors ist seine Empfindlichkeit auf das Zielgas. Sie ist ein Maß dafür, wie viel Signal pro Gasmenge erzeugt wird. Ein neuer Sensor hat ab Werk eine garantierte Empfindlichkeit. Sie wird am Ende des Produktionsprozesses mit dem Zielgas gemessen und im Sensorspeicher abgelegt. Der Sensor ist somit bei Auslieferung vorkalibriert. Allerdings nimmt die Empfindlichkeit mit der Zeit ab. Ein verbrauchter Sensor am Ende der Nutzungsdauer hat nur noch eine minimale Restempfindlichkeit. Der Verlust an Empfindlichkeit pro Zeit hängt von Anwendung, Umweltparametern und normaler Alterung ab. Extreme Belastungen und sich stark ändernde Umgebungsbedingungen können den Alterungsprozess beschleunigen.

Die aktuelle Empfindlichkeit kann jederzeit beim Kalibrieren mit einer bekannten Prüfgaskonzentration bestimmt werden. Der Empfindlichkeitsverlust wird durch Justieren der Verstärkung der Messelektronik kompensiert. Ein Dräger-Transmitter legt die gemessenen Werte vergangener Kalibrierungen im Speicher des Sensors ab. Sie stehen somit einer Softwareauswertung zur Verfügung. Auch die Temperaturbelastung wird protokolliert und gespeichert. Manche Sensoren verbrauchen sich, wenn sie Messgas umsetzen. Der dabei generierte Messstrom wird als Maß für die Menge des umgesetzten Gases integriert und einer Auswertung zur Verfügung gestellt. Um Aussagen über Empfindlichkeit und damit zur noch verbleibenden Lebensdauer der Sensoren treffen zu können, hat Dräger das Speichermodule Sensor Diagnostic Dongle um zwei weitere Diagnosefunktionen erweitert: die Vitalität und die Predictive Maintenance. Das Speichermodul kann in jeden Polytron 7000 nachträglich eingebaut werden.

Die Vitalität eines Sensors wird errechnet aus aktuellen und vergangenen Werten der Empfindlichkeit und dem Alter eines Sensors. Sie ist ein Maß dafür, wie sehr der Sensor schon verbraucht ist. Die Vitalität wird nicht zur Korrektur der gemessenen Gaskonzentration oder dem angezeigten Messwert herangezogen. Sie dient ausschließlich der Information für den Betreiber.

Auf der Anzeige des Polytron 7000 kann der Benutzer jederzeit den aktuellen Vitalitätswert des Sensors ablesen. Beim Entfernen des Sensors verbleiben die Daten im Sensorspeicher. Sie werden in einem anderen Transmitter wieder korrekt angezeigt. Der Anfangswert der Vitalität eines neuen Sensors liegt zwischen 95 und 100. Ein verbrauchter Sensor am Ende seiner Nutzungsdauer hat schließlich den Wert Null. Die Werte dazwischen werden in Einer-Schritten angezeigt. Während des Betriebs des Sensors wird die Vitalität vom Polytron 7000 fortlaufend neu berechnet.

Bei einem neuen Sensor errechnet sich die Vitalität aus der Werkskalibrierung und seiner erwarteten Nutzungsdauer (Vitalitätskurve P1). Bei der nächsten Kalibrierung wird die Änderung der Empfindlichkeit im Vergleich zur vorherigen Werkskalibrierung ermittelt. Der gefundene Trend wird zur Berechnung zukünftiger Vitalitätswerte herangezogen (Vitalitätskurve P2). Weicht die beim Kalibrieren gefundene Empfindlichkeit vom berechneten Vitalitätswert ab, wird diese entsprechend zu höheren oder niedrigeren Werten korrigiert (Vitalitätskurve P3 und P4). Die Vitalität liefert somit zwei Anhaltspunkte: Die Änderung pro Zeit und die absolute Größe. Ändert sich der Wert merklich, sollte häufiger kalibriert werden, da die Empfindlichkeit wahrscheinlich schnell abnimmt und daher der Messfehler wächst. Wird die Vitalität kleiner als 25, sollte man den Ersatz des Sensors planen (Vitalitätskurve P5). Wenn nach dem Kalibrieren der angepasste Vitalitätswert größer geworden ist, ist das ein Zeichen, dass der Sensor sich entweder erholt hat oder eine stabile Phase eingetreten ist. Ein merklich kleinerer Wert deutet darauf hin, dass der Sensor entweder stark belastet wurde oder seine Alterung zügig voranschreitet.

Ein auffälliger Vitalitätsverlust kann aber auch durch eine fehlerhafte Kalibrierung verursacht worden sein. Man sollte dann die Kalibrierung sicherheitshalber wiederholen. Ergibt sich eine andere Empfindlichkeit, wird die Vitalität neu berechnet.

Die Vitalität stellt als Maß für den Empfindlichkeitsverlust aber nicht das einzige Kriterium für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines Sensors dar. Im Laufe der Zeit können sich auch andere Eigenschaften des Sensors wie z. B. sein zeitliches Ansprechverhalten oder die Querempfindlichkeit auf andere Gase ändern. Diese Größen sind nicht immer aus der Beurteilung der Empfindlichkeit allein abzuleiten. Es wird daher eine weitergehende Analyse benötigt, die mit Hilfe der Funktion Predictive Maintenance (PM) durchgeführt wird.

Sie berechnet aus mehreren Eingangsgrößen eine Zustandsanzeige, die die Erschöpfung des Sensors anzeigt. Das Anzeigefeld zeigt in zeitlicher Abfolge in der schematischen Umrandung eines Sensors drei, zwei oder einen horizontalen Balken. Ein frischer Sensor wird durch drei Balken gekennzeichnet. Zwei Balken sagen aus, dass der Sensor durch Belastung und Abnutzung schon die erste Stufe der Erschöpfung erreicht hat, aber noch zuverlässig ist. Wenn nur noch ein Balken sichtbar ist, hat der Sensor sein Nutzungslimit erreicht. Er kann jetzt jederzeit aufgrund von Abnutzung seine Funktion einstellen. Zur Auswertung werden verschiedene Stressfaktoren herangezogen, die nachweislich die Nutzungsdauer eines Sensors beeinflussen. Diese Kenngrößen werden von der Transmittersoftware gemessen, berechnet und abgespeichert.

Die Lebenserwartung von Elektrodenmaterial, Elektrolyt und der Membran ist eine Funktion der Temperatur. Daher merkt sich der Transmitter das Temperaturprofil der Vergangenheit. Extreme führen dabei zur Abwertung der Anzeige wegen möglicher Beschädigung des Sensors.

Bei manchen Sensoren verbraucht sich auch das Elektrodenmaterial, wenn es mit dem Messgas reagiert. Die Gasdosis wird daher durch den Transmitter berechnet und überwacht. Ist das spezifizierte Limit überschritten, kann ein Sensor unempfindlich werden und ein Austausch ist erforderlich.

Dräger hat Erfahrungswerte über die erwartete Nutzungsdauer für die verschiedenen Sensoren unter moderaten Einsatzbedingungen. Überschreitet das Alter des Sensors einen Wert, bei dem die statistische Wahrscheinlichkeit für einen Sensorausfall größer als 80 % wird, führt das zur Abwertung auf die unterste PM-Stufe.

Aus all diesen Parametern wird der aktuelle Sensorzustand bewertet und zur Anzeige gebracht. Wie eine Akku-Ladeanzeige wird gewarnt, wenn damit zu rechnen ist, dass der Sensor seine Überwachungsfunktion nicht mehr sicher erfüllt. Dann sollte ein Austausch stattfinden, um Fehlfunktionen und Störungen zu verhindern.

cav 455

Chemische Sensoren (Buch)

Sensortechnik aktuell (Buch)

Alles rund um den Polytron 7000

Elektrochemische Sensoren im Überblick

Polytron hautnah erleben