Kalibrierung im Laborreferenzverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode zur Kalibrierung eines Messgeräts im Laborreferenzverfahren und eine Vorrichtung welches diese Methode implementiert.

Messgeräte, beispielsweise Analysegeräte wie Trübungssensoren zur Untersuchung wässriger Medien oder anderer Proben umfassen gewöhnlich mindestens einen ersten Sensor für eine Messgröße, dessen Signal gemäß einer Abbildungsvorschrift auf einen ausgegebenen Messwert abgebildet wird. Diese Abbildungsvorschrift kann beispielsweise einen konstanten Faktor eine lineare Gleichung, ein Polynom oder einen beliebigen anderen Ausdruck umfassen. Neben der Abhängigkeit von dem Signal des ersten Sensors kann die Abbildungsvorschrift auch von Signalen mindestens eines zweiten Sensors abhängen, um beispielsweise Querempfindlichkeiten des ersten Sensors auf die Messgröße des zweiten Sensors, beispielsweise Temperatur, kompensieren zu können. Die Abbildungsvorschrift ist beispielsweise in Form von Kennlinien darstellbar. Die Parameter der Abbildungsvorschrift, beispielsweise Koeffizienten und Nullpunktversatz, sind gewöhnlich in einem Datenspeicher des Messgerätes hinterlegt.

Gewöhnlich ist ein Messgerät zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme kalibriert, d. h. die gespeicherten Parameter der Abbildungsvorschrift stimmen in dem Maße mit den erforderlichen Parametern überein, dass die ausgegebenen Messwerte innerhalb der gewünschten Messgenauigkeit mit den tatsächlichen Werten der Messgröße übereinstimmen.

Messgeräte unterliegen jedoch oftmals einer Drift, d.h. Aufgrund von Verschleiß, Alterung, Verschmutzung oder anderen Ursachen verändert sich der ausgegebene Messwert für einen gegebenen tatsächlichen Wert der Messgröße. In diesem Fall sind also die gespeicherten Parameter der Abbildungsvorschrift nicht mehr aktuell und müssen durch eine Kalibrierung aktualisiert werden.

Für pH-Messgeräte erfolgt dies beispielsweise dadurch, dass man mit zwei Standardflüssigkeiten bei zwei verschiedenen pHWerten Messungen durchführt und anhand der ausgegebenen Messwerte Nullpunkt und Steilheit des Messgeräts so einstellt, dass das Messgerät die korrekten Messwerte für die Referenzflüssigkeiten ausgibt.

Diese Vorgehensweise verbietet sich beispielsweise für fest installierte

Trübungsmessgeräte zur überwachung von Trinkwasser, da diese nicht ohne weiteres aus dem Trinkwasser entfernt und mit definiert verschmutzten Standardproben beaufschlagt werden können.

[0007] Stattdessen werden diese Trübungsmessgeräte im so genannten

Laborreferenzverfahren kalibriert. Hierzu wird zum Zeitpunkt einer Kalibriermessung der aktuelle Messwert als Kalibriermesswert gespeichert. Gleichzeitig wird, eine Probe des Mediums entnommen, und im Labor wird an der entnommenen Probe eine Laborreferenzmessung durchgeführt, deren Ergebnis als Laborreferenzmesswert zum Kalibrieren des Messgerätes herangezogen wird.

[0008] Aus der Differenz zwischen Kalibriermesswert und Laborreferenzmesswert ergibt sich die aktuelle Abweichung des Messgerätes bei dem Laborreferenzmesswert. Mangels weiterer Informationen wird diese Abweichung gewöhnlich einer Nullpunktverschiebung zugeordnet und der entsprechende Parameter der Abbildungsvorschrift des Messgerätes wird aktualisiert. Diese Vorgehensweise ist insofern problematisch, als sich das Verhalten eines Messgerätes auch in der Weise ändern kann, dass es die Korrektur weiterer Parameter der Abbildungsvorschrift erfordern würde, beispielsweise die Steilheit bei einer linearen Abbildungsvorschrift.

[0009] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kalibrierverfahren für Messgeräte bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile überwindet.

[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Messgerät gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 6.

[0011] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren eines Messgerätes, welches mittels mindestens eines ersten Sensors eine Messgröße eines Messmediums überwacht, wobei das Signal des ersten Sensors gemäß einer Abbildungsvorschrift auf einen Messwert abgebildet wird, umfasst die folgenden Schritte:

[0012] Ein aktueller Messwert des Messgerätes wird als aktueller Kalibriermesswert

[0013 ] aufgezeichnet;

[0014] es wird eine Laborreferenzprobe des Messmediums mit den Eigenschaften zum Zeitpunkt der Aufzeichnung des Kalibriermesswerts einem Laborreferenzmessgerät bereitgestellt;

[0015] der tatsächliche Wert der Messgröße wird anhand der Laborreferenzprobe mit dem Laborreferenzmessgerät ermittelt und als aktueller Laborreferenzmesswert bereitgestellt und aufgezeichnet;

[0016] anhand des aktuellen Kalibriermesswertes sowie des aktuellen

Laborreferenzmesswertes wird die Abbildungsvorschrift aktualisiert, wobei ferner

[0017] mindestens ein früheres Wertepaar eines Kalibriermesswertes und eines zugehörigen Laborreferenzmesswerts, welches bei einer früheren Kalibrierung ermittelt wurde, zum Aktualisieren der Abbildungsvorschrift mit berücksichtigt wird.

[0018] Vorzugsweise werden mehrere frühere Wertepaare zum Aktualisieren der Abbildungsvorschrift mit berücksichtigt.

[0019] In einer Weiterbildung der Erfindung wird zu den Wertepaaren auch der Zeitpunkt ihrer Messung aufgezeichnet. Damit ergibt sich die Möglichkeit das Alter der Wertepaare bei der Aktualisierung der Abbildungsvorschrift zu berücksichtigen. Beispielsweise kann das Alter als Gewichtungsfaktor eingehen, nachdem ältere Wertepaare geringeres Gewicht haben als jüngere Wertepaare. Das relative Gewicht eines Wertepaares kann beispielsweise mit einer abklingenden Exponentialfunktion des Alters beschrieben werden.

[0020] Weiterhin kann das Gewicht eines früheren Wertepaares in dem Maße schneller abnehmen, in dem in der Nähe des früheren Laborreferenzmesswertes aktuellere Laborreferenzmesswerte vorliegen.

[0021] Die Durchführung einer Kalibrierung kann einerseits periodisch nach vorgebbaren Zeitintervallen erfolgen, andererseits kann eine Kalibrierung Ereignis gesteuert angefordert werden. Hierzu kann das Messgerät beispielsweise eine Dosimeterfunktion aufweisen, welches Belastungsäquivalente des Messgeräts erfasst und integriert, beispielsweise extreme Temperaturen etc. Nach dem Aufbrauchen eines vorgebbaren Belastungsvorrats kann eine Kalibrierung angefordert werden. Gewissermaßen entspricht diese Funktion einer mit Belastungen gewichteten Zeitskala. Bei geringeren Bealastungen kann das Gerät bis zur nächsten Kalibrierung länger betrieben werden als bei höheren Belastungen.

[0022] Schließlich kann eine Kalibrierung angefordert werden, wenn ein Messgerät einen ungewöhnlichen Messwert ausgibt. Ein Messwert ist beispielsweise dann ungewöhnlich, wenn an der fraglichen Messstelle in einem vorgebbaren Wertebereich um den aktuellen Messwerts für lange Zeit keine Messwerte aufgetreten sind, und/oder wenn in dem vorgebbaren Wertebereich für lange Zeit keine Kalibrierung durchgeführt wurde.

[0023] Das erfindungsgemäße Messgerät umfasst mindestens einen ersten Sensor zum Erfassen einer Messgröße eines Messmediums, wobei der erste Sensor ein con der Messgröße abhängiges Signal ausgibt; und

[0024] eine elektronische Schaltung mit einem Mikrocomputer, wobei

[0025] das Signal des ersten Sensors von der elektronischen Schaltung gemäß einer Abbildungsvorschrift auf einen Messwert abgebildet wird;

[0026] und wobei die elektronische Schaltung einen Datenspeicher umfasst, in dem

Wertepaare von Kalibriermess werten und zugeordneten Laborreferenzmesswerten abgelegt werden können, um die Abbildungsvorschrift anhand der Wertepaare zu aktualisieren.

[0027] Das Messgerät kann beispielsweise ein Messgerät zur Analyse wässriger Medien sein, insbesondere ein Trübungsmessgerät zur überwachung von Trinkwasser.

[0028] Die Erfindung wird nun anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

[0029] Fig. 1: ein Diagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Kalibrieren mit einer Laborreferenz nach dem Stand der Technik;

[0030] Fig. 2: ein Diagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kalibrieren mit einer Laborreferenz.

[0031] Fig. 1 zeigt Kennlinien nach einer Kalibrierung durch Offsetkorrektur, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.

[0032] Auf der horizontalen Achse ist das Sensorsignal aufgetragen und auf der vertikalen Achse der in Abhängigkeit des Sensorsignals auszugebende Messwert für die Messgröße des Sensors. Die fett gezeichnete Linie in Fig. 1 entspricht der Kennlinie eines Messgerätes zum Zeitpunkt von dessen Inbetriebnahme. Wenn im Einsatz des Messgerätes periodisch, beispielsweise monatlich, Kalibrierungen erfolgen, wird zum Kalibrierzeitpunkt ein Kalibriermesswert mit der aktuellen Kennlinie aufgezeichnet und gleichzeitig wird eine Laborreferenzprobe des Messmediums genommen. Anhand der Laborreferenzprobe wird im Labor ein Laborreferenzmesswert als Sollwert für das Messgerät ermittelt. Im Ergebnis wird dann der Nullpunkt bzw. Offset der Kennlinie um die Differenz zwischen Laborreferenzmesswert und Kalibriermess wert verschoben, damit der auszugebende Messwert unter den Bedingungen der aktuellen Kalibrierung dem Sollwert der Kalibrierung entspricht. Um dies anzudeuten sind in Fig. 1 für verschiedene Kalibrierungen Kreuze eingezeichnet, zu denen die Kennlinie als Folge einer Kalibrierung jeweils verschoben wird.

[0033] Wie unmittelbar einsichtig, gibt es große Abweichungen zwischen den ausgegebenen Werten in Abhängigkeit der jeweils angesetzten Kennlinien, und die Vorgehensweise nach dem Stand der Technik führt dann zu Messfehlern, wenn andere Beiträge als eine Nullpunktverschiebung zur Drift des Messgerätes beitragen.

[0034] Fig. 2 zeigt Kennlinien nach dem erfindungsgemäßen Laborreferenzverfahren,

wobei zur Korrektur der Kennlinie nicht nur die aktuellen Kalibrierdaten verwendet werden, sondern auch frühere Kalibrierdaten. Die Rohdaten in Fig. 2 entsprechen den Rohdaten aus Fig. 1. D.h. die durchgezogene fett gezeichnet Linie entspricht wieder der Kennlinie zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme.

[0035] Die Kreuze zeigen Laborreferenzmesswerte von Kalibrierdaten zu drei verschiedenen Zeitpunkten, wobei zufällig der Zeitpunkt der Kalibrierung von links nach rechts zunimmt. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, denn die Position des Laborreferenzmesswerts im Diagramm hängt nicht vom Zeitpunkt ab sondern lediglich vom Kalibriermesswert bzw. dem Sensorsignal des Kalibriermesswerts und dem zugehörigen Laborreferenzmesswert.

[0036] Im Ausführungsbeispiel wurde bei der ersten Kalibrierung der ermittelte

Laborreferenzwert genau so gewichtet, wie die ursprüngliche Kennlinie. D.h., es wurde ein Fit für ein Polynom zweiter Ordnung mit 100 Stützstellen der ursprünglichen Kennlinie und dem Wertepaar der ersten Kalibrierung mit 100-facher Gewichtung durchgeführt, um eine aktualisierte Kennlinie zu ermitteln. Das Resultat ist als strichpunktierte Linie dargestellt.

[0037] Für die Ermittlung der Kennlinie nach der zweiten Kalibrierung wurde das

Wertepaar der zweiten Kalibrierung 100-fach, das Wertepaar der ersten Kalibrierung 50-fach und die ursprüngliche Kennlinie mit 100 Stützstellen bei einem Fit für ein Polynom zweiter Ordnung berücksichtigt um eine erneut aktualisierte Kennlinie zu ermitteln. Das Resultat ist punktiert dargestellt.

[0038] Für die Ermittlung der Kennlinie nach der dritten Kalibrierung wurde das

Wertepaar der dritten Kalibrierung 100-fach, das Wertepaar der zweiten Kalibrierung 50-fach, das Wertepaar der ersten Kalibrierung 25-fach und die ursprüngliche Kennlinie mit 100 Stützstellen bei einem Fit für ein Polynom zweiter Ordnung für die dritte Aktualisierung der Kennlinie berücksichtigt. Das Resultat ist gestrichelt dargestellt.

[0039] Man erkennt unmittelbar, dass die relativen Abweichungen zwischen den einzelnen Kennlinien, insbesondere bei den früheren Kalibrierpunkten deutlich geringer sind. Insoweit führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer robusteren Aktualisierung der Kennlinien. Gleichermaßen verliert die ursprüngliche, werkseitige Kalibrierung mit der Zahl der Folgekalibrierungen relativ an Bedeutung, ohne sie jedoch ganz zu verwerfen. Diese Vorgehensweise ist insofern gerechtfertigt, als Bestimmte Grundcharakteristika eines Gerätes auch bei einer Messwertdrift beibehalten werden.

[0040] Anstelle der beschriebenen Vorgehensweise zur Aktualisierung der Kennlinien

kann beispielsweise auch jeweils die letzte Kennlinie mit einer gewissen Anzahl von

Stützstellen mit einer entsprechenden Gewichtung der aktuellen Kalibrierdaten gefittet werden. Auf diese Weise verliert die ursprüngliche Kennlinie schneller an Bedeutung. [0041] Gleichermaßen kann die verbleibende Differenz zwischen der nach einem Fit ermittelten neuen Kennlinie zum Laborreferenzwert der Kalibrierung durch einen zusätzlichen Offset der Kennlinie ausgeglichen werden. [0042] Andere statistische Methoden und Analysestrategien Ergeben sich für den

Fachmann aus den hier gegebenen Anregungen je nach dem Alterungsverhalten des konkreten Messgerätes und der betrachteten Messstelle.