DE3739406A1

DE3739406A1 - Verfahren zum betrieb einer sensoranordnung zur erkennung von gasen

Info

Publication number: DE3739406A1
Application number: DE19873739406
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl Ing Lange; Gerhard Dipl Ing Horner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-11-20
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1989-06-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung zur Erkennung von Gasen, die gasempfind liche Sensorelemente und eine Mustererkennungsmatrix enthält.

Aus DE 35 19 435 A1, DE 35 19 436 A1, DE 35 19 397 A1 und DE 35 19 410 A1 ist bekannt, Sensoranordnungen mit Muster erkennungsmatrizen zur Gaserkennung zu verwenden. Dabei werden mehrere verschiedene Gassensoren zu einer Sensoran ordnung zusammengefaßt. Jeder Gassensor ist für mehrere Gase empfindlich, wobei sich die Empfindlichkeitsspektren der einzelnen Sensoren unterscheiden. Jedes Gas, für das die Sensoranordnung empfindlich ist, tritt in mehreren Empfindlichkeitsspektren der Gassensoren auf. Die Ver schiedenheit der Empfindlichkeitsspektren der Gassensoren kann unterschiedliche Gründe haben. Sie kann darin begründet sein, daß unterschiedliche Sensoren verwendet werden, oder darin, daß an sich gleiche Sensoren unter schiedlichen äußeren Einflüssen, z. B. unterschiedlicher Temperatur, ausgesetzt werden, die ihre Empfindlichkeit beeinflussen. Eine weitere Möglichkeit, die Empfindlich keitsspektren zu beeinflussen, liegt darin, den Sensor mit einer Selektiveinrichtung, z. B. einer Zeolithschicht, zu versehen.

Die Sensoranordnung wird verschiedenen Testgasen bekannter Zusammensetzung ausgesetzt. Es werden die sich jeweils er gebenden Signale der einzelnen Sensoren gemessen, geeignet normiert und in der Mustererkennungsmatrix gespeichert. Bei der Messung eines unbekannten Gases werden die normierten Meßwerte der einzelnen Sensoren mit den bekannten ge speicherten Signalen verglichen. Dadurch wird ermittelt, welche Gaszusammensetzung das unbekannte Gas hat.

Die Signale von Gassensoren schwanken statistisch und systematisch. Im Fall einer zu großen systematischen Schwankung, z. B. durch Alterung oder Drift, kann ein zu einem bekannten Gas gehörendes Signal nicht mehr identi fiziert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung zur Erkennung von Gasen anzu geben, das die Meßsicherheit im Fall systematischer Schwan kungen der Sensorelemente vergrößert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Anspruch 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen der Er findung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß kleine systematische Schwankungen der Sensoren, z. B. durch Alterung oder Drift, berücksichtigt werden. Es erfolgt ständig eine Neueichung der Sensoranordnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. näher erläutert.

In der Fig. ist eine Sensoranordnung dargestellt, die gas empfindliche Sensorelemente D₁, D₂...D₉ und eine Muster erkennungsmatrix M enthält. Die Sensorelemente D₁, D₂...D₉ sind mit Signaleingängen S₁, S₂...S₉ der Mustererkennungs matrix M verbunden. Die Mustererkennungsmatrix M weist Ausgänge A₁, A₂...A₁₂ auf. Die Sensoranordnung ist für mehrere Gase, z. B. 12, empfindlich. Die einzelnen Sensor elemente D₁, D₂...D₉ sind für verschiedene Gase unter schiedlich empfindlich. Jedes Gas tritt dabei in den Empfindlichkeitsspektren mindestens zweier Sensorelemente D₁, D₂...D₉ in unterschiedlicher Stärke auf. In der Muster erkennungsmatrix M sind für alle Sensorelemente D₁, D₂...D₉ Anfangssollwerte gespeichert. Die Anfangssollwerte werden aus Eichmessungen mit Testgasen bekannter Zusammensetzung gewonnen. Dabei werden Testgase verwendet, die alle nur möglichen Mischungen aus den Gasen, für die die Sensor anordnung empfindlich ist, enthalten. Dabei werden für alle Sensorelemente D₁, D₂...D₉ Anfangssollwerte jedes Test gases bestimmt und abgespeichert.

Zur Messung eines unbekannten Gases werden die Sensor elemente D₁, D₂...D₉ dem Gas ausgesetzt. Die Signale der Sensorelemente D₁, D₂...D₉ werden über die Signalein gänge S₁, S₂...S₉ der Mustererkennungsmatrix M zugeführt. Die Signale sind abhängig vom untersuchten Gas und von dem jeweiligen Sensorelement D₁, D₂...D₉. In der Musterer kennungsmatrix M werden die gemessenen Signale normiert und mit den gespeicherten Anfangssollwerten verglichen. Dabei wird für jedes Signal geprüft, ob es innerhalb vorgegebener Toleranzen mit einem der Anfangssollwerte übereinstimmt. Wird für mindestens ein Signal kein Anfangssollwert ge funden, mit dem es innerhalb der Toleranzen übereinstimmt, so wird an der Musterkennungsmatrix M ausgegeben, daß ein unbekanntes Gas vorliegt oder daß mindestens eines der Sensorelemente nicht richtig arbeitet.

Wird dagegen zu jedem Signal ein Anfangssollwert gefunden, mit dem es innerhalb der Toleranzen übereinstimmt, wird die Gaserkennung als erfolgreich gewertet. Die Musterer kennungsmatrix M gibt die erkannte Gaszusammensetzung aus. Aus den Signalen und den zugehörigen Anfangssollwerten werden neue Sollwerte berechnet, die wegen der Toleranz in der Ubereinstimmung von den Anfangssollwerten abweichen können. Eine Möglichkeit der Ermittlung des neuen Sollwert besteht darin, den Mittelwert zwischen dem Anfangssollwert und dem gewichteten Signal zu nehmen. Signale, die innerhalb der statistischen Schwankung näher beim An fangssollwert liegen, werden stärker gewichtet, während Signale, die innerhalb der statistischen Schwankung weiter vom Sollwert entfernt liegen, ein kleineres Gewicht erhalten. Dadurch wird erreicht, daß der neue Sollwert systematische Schwankungen ausgleicht, ohne den durch die Sensoranordnung vorgegebenen statistischen Schwankungen im gleichen Maß zu folgen. Die Signale können z. B. ge speichert werden, so daß nach weiteren Messungen als neuer Sollwert der Mittelwert aus allen je erkannten Signalen ge nommen wird. Für die nächste Messung wird der neue Soll wert als Anfangssollwert abgespeichert.

Die Anfangssollwerte und die Signale werden z. B. als Zeiger dargestellt in einem Raum, dessen Dimension gleich der Anzahl der Sensorelemente D₁, D₂...D₉ ist. Dieses Vorgehen ist vorteilhaft, weil sich dadurch die Toleranzen der Übereinstimmung zwischen Signal und Anfangssollwert als Öffnungswinkel zwischen den Zeigern angeben läßt. Die Toleranz soll z. B. einem Winkel von höchstens 5° ent sprechen.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung zur Er kennung von Gasen, die gasempfindliche Sensorelemente und eine Mustererkennungsmatrix enthält, mit folgenden Schritten:

a) die gasempfindlichen Sensorelemente (D ₁, D₂...D₉) werden einem zu untersuchenden Gas ausgesetzt, wobei jedes Sensorelement (D ₁, D₂...D₉) ein gas- und sensorelement spezifisches Signal abgibt,
b) die Signale werden der Mustererkennungsmatrix (M) zu geführt,
c) in der Mustererkennungsmatrix (M) werden die Signale mit Anfangssollwerten verglichen,
d) bei Übereinstimmung von Signalen und zugehörigen An fangssollwerten innerhalb vorgegebener Toleranzen wird aus gewichtetem Signal und zugehörigem Anfangssollwert je ein neuer Sollwert errechnet,
e) der neue Sollwert wird für die nächste Messung als Anfangssollwert gespeichert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) jedes Signal, für das in einer Messung Übereinstimmung mit dem zugehörigen Anfangssollwert festgestellt wird, wird in der Mustererkennungsmatrix (M) gespeichert,
b) der neue Sollwert wird als Mittelwert aus allen Signalen berechnet, die je Übereinstimmung mit dem zugehörigen An fangssollwert ergeben haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:.

a) die Anfangssollwerte und die Signale werden in einem Raum, dessen Dimension gleich der Anzahl der Sensor elemente (D ₁, D₂...D₉) ist, als Zeiger dargestellt,
b) für die Übereinstimmung wird gefordert, daß der Zeiger des Signals und der Zeiger des zugehörigen Anfangssoll werts innerhalb eines Kegels mit vorbestimmtem Öffnungs winkel um den Zeiger des Sollwerts herum liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Öffnungswinkel des Kegels einen Wert kleiner als 5° hat.