DE3901789A1

DE3901789A1 - Verfahren zur messfehlerkorrektur bei mehrkomponenten-fluidanalysegeraeten

Info

Publication number: DE3901789A1
Application number: DE19893901789
Authority: DE
Inventors: Lajos Dr Ing Fabian
Original assignee: MSI ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: MSI ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1989-01-21
Filing date: 1989-01-21
Publication date: 1990-07-26

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Meßfehlerkorrektur bei Mehrkomponenten-Fluidanalysengeräten, insbesondere bei Gasanalysegeräten, mit Sensoren für die zu bestimmenden Komponenten der Fluide, wobei jeder Sensor mit einer Elektronik ausgerüstet ist.

Um beispielsweise Feuerungsanlagen zu überwachen oder auch um die Zusammensetzung von Raumluft oder Abwässern überwachen zu können, benutzt man Sensoren, die auf bestimmte Bestandteile der Fluide besonders ansprechen. Dabei spricht beispielsweise ein NO₂-Sensor auch auf CO, SO₂, NO und dgl. an. Sein Verhalten ist dabei allerdings gegenüber den anderen Komponenten sehr unterschiedlich. Neben dem Verhalten eines Sensors gegenüber anderen Fluidbestandteilen als denjenigen, für deren Anzeige er eingesetzt wird, liegt ein Problem darin, daß bei Konzentrationsänderungen die Realanzeigen ein dynamisches Verhalten aufweisen, d. h. über einen gewissen Zeitraum hinweg Anzeigenänderungen festzustellen sind bis zu einer konstanten Anzeige bei sich nicht mehr verändernden Verhältnissen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der sowohl die Berücksichtigung der unterschiedlichen Anzeigeverhalten einzelner Sensoren gegenüber den Fluidbestandteilen als auch das dynamische Anzeigeverhalten kompensierbar ist, um so dem Benutzer eine genauere Aussage über die jeweiligen Ist-Werte seiner Fluidzusammensetzung zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus soll das Verfahren nicht nur für Einzelmeßstellen, sondern auch für Vielfachmeßstellen einsetzbar sein.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß von der Elektronik beim Messen der jeweiligen Komponente ein dynamischer Anzeigefehler nach einem vorgegebenen Rechenmodell ermittelt und kompensiert und das kompensierte Meßsignal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß jeder Sensor unabhängig davon, ob sich die jeweilige Fluidzusammensetzung im Meßzeitpunkt konstant verhält oder einer Änderung unterworfen ist, ein korrigiertes Informationssignal zur Verfügung stellt, so als sei die jeweilige Komponente als Reinkomponente gemessen worden. Damit werden alle aus dem Meßsignal gewonnenen Informationen genauer, eine evtl. nachgeschaltete Regelung kann sehr viel exakter reagieren und Steuerungs- und Meßfehler werden auf ein Minimum reduziert, was gerade bei Schadstoffmessungen besonders wichtig sein kann, etwa bei dem Betrieb von Kraftwerken und deren Abgasmessungen.

In der Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß beim Kalebriervorgang jedes Sensors der exakte Verlauf der Meßdynamik in Form einer Erregerfunktion ermittelt und daraus der exakte Verlauf des dynamischen Meßfehlers gewonnen und die gewonnenen Kurvenverläufe zur Kompensation des Meßfehlers direkt der jeweiligen individuellen Elektronik aufgegeben werden.

Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, daß jeder Sensor praktisch über seine Elektronik mit einer Art Fingerabdruck versehen wird, d. h. sein ganz individuelles Meßverhalten wird elektronisch berücksichtigt, so daß etwa beim Ausfall eines Sensors und Austausch gegen einen neuen entsprechend gestalteten Sensor in den sonstigen Einrichtungen keinerlei Änderungen vorgenommen werden müssen, da die vom Sensor abgegebenen Informationen immer von gleicher Qualität sind unabhängig von seinem individuellen Meßverhalten, das z. B. in einem EEPROM eingegeben sein kann.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darüber hinaus darin, nicht nur die Kurvenverläufe dem dynamischen Sensor als festgewonnene Werte aufzugeben, sondern auch die daraus ermittelten Sensorkonstanten, die einen dynamischen Meßfehler bereits elektronisch ausmerzen.

Die Gestaltung kann dabei so getroffen sein, daß die Elektronik jedes Sensors das für dieses Individium charakteristische, statische und dynamische Verhalten für alle Fluidbestandteile und Umwelteinflüsse in Form von Kenndaten speichert, wobei diese Daten durch die Beaufschlagung mit reinem Prüffluiden ermittelt werden, und daß diese gespeicherten Daten über eine Schnittstelle einer Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden. Damit ist ein Näherungsmodell als Differentialgleichungssystem zweiter Ordnung gegeben, das eine sehr befriedigende Kompensation von dynamischen Meßfehlern erlaubt.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß eine Rechenvorrichtung zur Verarbeitung eines linearen Differentialgleichungssystems erster, zweiter oder höherer Ordnung zur Meßfehler- und Querempfindlichkeitskompensation eingesetzt wird.

Es ist dabei in unterschiedlicher Ausgestaltung möglich, entweder jeden einzelnen Sensor mit einer Recheneinheit zu versehen, die die vorzunehmenden Rechenoperationen zur Fehlerunterdrückung vornehmen kann oder aber dies einem Hauptrechner zu überlassen, dem lediglich die dynamischen Fehlerkurven der subjektiven Sensoren zugeführt werden, die er dann als Information verarbeitet. Dies ist alternativ bei der Erfindung ebenfalls vorgesehen.

Je nach Art und Gestaltung des Hauptrechners kann vorgesehen sein, über eine Schnittstelle dessen Elektronik mit Werten einer einzelnen Meßstelle aber von unterschiedlichen Sensoren für unterschiedliche Fluidbestandteile zu beaufschlagen oder aber über eine Schnittstelle eine Mehrzahl von Meßstellen für unterschiedliche Fluidbestandteile dort aufzulegen.

Neben der reinen Fehlerkompensation durch Berücksichtigung der Sensorkennkurven bei dem jeweiligen Meßvorgang kann eine zusätzliche Glättung der Meßergebnisse dadurch erreicht werden, daß die Hauptauswertevorrichtung die sensorspezifischen, individuellen Kenndaten und die von den einzelnen Sensoren gelieferten Meßwerte als zusammengehörige Zeitreihen ordnet und daraus mit Hilfe des Korrekturverfahrens die statisch und dynamisch korrigierten Meßwerte bildet.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 das Prinzipbild eines Sensors,

Fig. 2 die Verarbeitung einer Meßstelle mit einer Mehrzahl von Sensoren,

Fig. 3 das Schaltbild einer Mehrzahl von Meßstellen mit einer Mehrzahl von Sensoren.

Der in Fig. 1 dargestellte, allgemein mit 1 bezeichnete Sensor weist ein Gehäuse 2 mit einer stirnseitigen Öffnung 3 auf, die von einer Diffusionsmembran 4 verschlossen ist. Die die Diffusionsmembran durchdringenden Gasmoleküle werden in dem Analyseraum 5 analysiert, die Analysedaten in elektrische Signale umgewandelt und diese Signale der allgemein mit 6 bezeichneten Elektronik zugeführt. Über eine individuelle Schnittstelle 7 können die Meßsignale dann zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.

Wie weiter oben beschrieben, kann die Elektronik 6 Rechenoperationen übernehmen und Meßfehler aufgrund der durchgeführten Rechenoperationen individuell kompensieren, wobei zur Messung der jeweiligen Fehler relativ zu einzelnen Gasbestandteilen der Sensor 1 mit reinen Gaskomponenten beaufschlagt wird. Das Meßverhalten gegenüber diesen reinen Gaskomponenten wird aufgezeichnet und schließlich werden die zur Verfügung gestellten Meßdaten insbesondere für die einzelnen Gasbestandteile dem mit 8 bezeichneten EEPROM aufgegeben, der diese dann später an der Schnittstelle zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stellen kann.

In Fig. 2 ist eine Meßstrecke 9 mit einer Mehrzahl von Sensoren 1 für unterschiedliche Gaskomponenten dargestellt. Diese tragen die Bezeichnung IS 1, IS 2, IS 3 und sofort.

Über die Schnittstelle 7′ werden die ermittelten Individualwerte einem weiteren Rechner, allgemein mit 10 bezeichnet, zur Verfügung gestellt. Sie können abgerufen, aufgezeichnet oder zu Steuerungszwecken herangezogen werden u. dgl. mehr.

Schließlich zeigt Fig. 3 einen allgemein mit 10′ bezeichneten Großrechner, von dem aus eine Mehrzahl von Meßstellen 9′ abgerufen werden können. Die gemeinsame Schnittstelle ist mit 7′′ bezeichnet.

Nachfolgend ist eine Kurzfassung der mathematischen Grundvoraussetzungen für die Fehlerkompensation nach der vorliegenden Erfindung angegeben:

Statisches Sensormodell

Gleichungssystem:

n Unbekannte
n Gleichungen

u₁ = a₁₁k₁ + a₁₂k₂ + . . . +a _1n k _n
u₂ = a₂₁k₁ + a₂₂k₂ + . . . +a _2n k _n
·
·
·
u _n = a _{n 1} k₁ + a _{n 2} k₃ + . . . + a _nn k _n

darin bedeuten:

u _i = Gesamtsignal des i-ten Sensors [mV]
a _ik = Empfindlichkeit des i-ten Sensors auf das k-te Gas [mV/ppm]
k _i = Scheinkonzentration des i-ten Gases [ppm]

oder in Matrizenschreibweise

Die Lösung lautet:

oder ausführlich:

Dynamisches Sensormodell

Näherungsmodell Lineare Differentialgleichung 2. Ordnung

Bei Voraussetzung der Gültigkeit des Superpositionsprinzips:

keine Modell-Bestandteile.

c _ÿ und b _ÿ sollen dem dynamischen Anzeigenfehler korrigieren:

Differentialgleichungssystem

oder in Matrizenschreibweise:

Die Lösung nach Linksmultiplikation mit ^-1 und Umstellung:

Nach diesem Schema läßt sich der Kalibriervorgang erweitern, wenn die

Empirischen Übergangsfunktionen aller Sensoren auf alle Gaskomponenten

unter gleichen Testbedingungen aufgenommen (z. B. numerisch auf Datenträger aufgezeichnet) und nach (3) ausgewertet werden.

Rechenprogramm: Kalibrieren

Dynamische Meßwert- und Querempfindlichkeitskorrektur

Schieberegister Meßdaten

Kommunikationsprotokoll

* MSI-Block-Protokoll

Claims

1. Verfahren zur Meßfehlerkorrektur bei Mehrkomponenten- Fluidanalysegeräten, insbesondere bei Gasanalysegeräten, mit Sensoren für die zu bestimmenden Komponenten der Fluide, wobei jeder Sensor mit einer Elektronik ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß von der Elektronik beim Messen der jeweiligen Komponente ein dynamischer Anzeigefehler nach einem vorgegebenen Rechenmodell ermittelt und kompensiert und das kompensierte Meßsignal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kalebriervorgang jedes Sensors der exakte Verlauf der Meßdynamik in Form einer Erregerfunktion ermittelt und daraus der exakte Verlauf des dynamischen Meßfehlers gewonnen und die gewonnenen Kurvenverläufe zur Kompensation des Meßfehlers direkt der jeweiligen individuellen Elektronik aufgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sensorkonstanten aufgrund vorgenommener Messungen ermittelt und der Kompensierungselektronik aufgegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik jedes Sensors das für dieses Individium charakteristische, statische und dynamische Verhalten für alle Fluidbestandteile und Umwelteinflüsse in Form von Kenndaten speichert, wobei diese Daten durch die Beaufschlagung mit reinem Prüffluiden ermittelt werden, und daß diese gespeicherten Daten über eine Schnittstelle einer Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechenvorrichtung zur Verarbeitung eines linearen Differentialgleichungssystems erster, zweiter oder höherer Ordnung zur Meßfehler- und Querempfindlichkeitskompensation eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Schnittstelle einer Vorrichtung für eine Meßsignalanpassung eine Mehrzahl von Meßgrößengruppen unterschiedlicher Meßstellen zugeführt werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptauswertevorrichtung die sensorspezifischen, individuellen Kenndaten und die von den einzelnen Sensoren gelieferten Meßwerte als zusammengehörige Zeitreihen ordnet und daraus mit Hilfe des Korrekturverfahrens die statisch und dynamisch korrigierten Meßwerte bildet.