DE3901789A1

DE3901789A1 - Method for measuring-error correction in multicomponent fluid analysers

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

Abstract

The invention relates to a method for measuring-error correction in multicomponent fluid analysers, in particular with gas analysers, having sensors for the fluid components to be determined, each sensor being equipped with electronics. The object of the invention is to provide a solution by means of which it is possible to take into account the different indication behaviour of individual sensors with respect to the fluid components and to compensate the dynamic display behaviour in order, thus, to provide the user with more accurate information concerning the respective actual values of his fluid composition. This is achieved by the electronics, when measuring the respective component, determining and compensating a dynamic display error in accordance with a predefined algorithm, and the compensated output signal being made available for further processing. <IMAGE>

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. The invention is directed to a method for measuring error correction in multi-component fluid analysis devices, in particular in gas analyzers, with sensors for those to be determined Components of the fluids, each sensor with electronics.

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.For example, to monitor combustion plants or also to monitor the composition of indoor air or waste water To be able to use sensors that are based on certain components of the fluids particularly appeal. It speaks For example, a NO₂ sensor on CO, SO₂, NO and the like. However, his behavior is towards the other components very different. In addition to behavior of a sensor compared to other fluid components as the person he is used to report, there is a problem with changes in concentration the real ads have dynamic behavior, d. H. ad changes over time can be determined up to a constant display at changing conditions.

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.The object of the invention is to provide a solution with of both taking into account the different display behavior individual sensors against the fluid components as well as the dynamic display behavior can be compensated is, so the user a more accurate statement about the actual values of its fluid composition to provide. In addition, the process is said to not only for single measuring points, but also for multiple measuring points be applicable.

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.This is done with a method of the type described at the beginning Object achieved according to the invention in that of Electronics a dynamic when measuring the respective component Display errors according to a given calculation model determined and compensated and the compensated measurement signal is made available for further processing.

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. With the invention it is achieved that each sensor is independent of whether the respective fluid composition in the The time of measurement remains constant or is subject to change a corrected information signal is available as if the respective component was a pure component been measured. So that all of the measurement signal information obtained more precisely, possibly downstream Regulation can react much more precisely and control and measurement errors are reduced to a minimum, what be particularly important for pollutant measurements can, for example in the operation of power plants and their exhaust gas measurements.

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.In the embodiment, the invention provides that during the calibration process each sensor the exact course of the measurement dynamics determined in the form of an excitation function and from this the exact course of the dynamic measurement error obtained and the obtained waveforms to compensate for the measurement error given directly to the respective individual electronics will.

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.With this embodiment of the invention it is achieved that each sensor practically via its electronics with a kind Fingerprinting, d. H. its very individual Measurement behavior is taken into account electronically, so that about in the event of a sensor failure and replacement with a new one appropriately designed sensor in the other facilities no changes need to be made since the information provided by the sensor is always the same Quality are independent of his individual measurement behavior, the Z. B. can be entered in an EEPROM.

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.Another configuration also consists in not only the curves as the dynamic sensor to abandon the values obtained, but also the values determined from them Sensor constants that have a dynamic measurement error eradicate already electronically.

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.The design can be such that the electronics of each sensor that is characteristic of this individual, static and dynamic behavior for all fluid components and environmental influences in the form of characteristic data stores, this data by the application of pure test fluids are determined, and that these stored Data via an interface of an evaluation unit to provide. This is an approximation as a second order differential equation system given that a very satisfactory compensation of dynamic measurement errors allowed.

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.In a further embodiment it can be provided that a Computing device for processing a system of linear differential equations first, second or higher order used for measuring error and cross sensitivity compensation becomes.

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.It is possible in different configurations either each individual sensor with a computing unit too provided the arithmetic operations to be performed for error suppression can make or this a main computer to be left to which only the dynamic error curves of the subjective sensors that are fed it then processed as information. This is an alternative also provided in the invention.

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.Depending on the type and design of the main computer can be provided be, via an interface with its electronics Values of a single measuring point but of different ones To apply sensors for different fluid components or a plurality via an interface of measuring points for different fluid components hang up there.

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.In addition to pure error compensation through consideration the sensor characteristic curves in the respective measuring process can be a additional smoothing of the measurement results achieved be that the main evaluation device the sensor-specific, individual characteristics and those of the individual Sensors deliver measured values as related time series orders and from it with the help of the correction procedure which forms statically and dynamically corrected measured values.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt inThe invention is below with reference to the drawing, for example explained in more detail. This shows in

Fig. 1 das Prinzipbild eines Sensors, Fig . 1 the basic diagram of a sensor,

Fig. 2 die Verarbeitung einer Meßstelle mit einer Mehrzahl von Sensoren, Fig . 2 the processing of a measuring point with a plurality of sensors,

Fig. 3 das Schaltbild einer Mehrzahl von Meßstellen mit einer Mehrzahl von Sensoren. Fig . 3 shows the circuit diagram of a plurality of measuring points with a plurality of sensors.

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.The in Fig . 1, generally designated 1 , has a housing 2 with an end opening 3 , which is closed by a diffusion membrane 4 . The gas molecules penetrating the diffusion membrane are analyzed in the analysis room 5 , the analysis data are converted into electrical signals and these signals are fed to the electronics generally designated 6 . The measurement signals can then be made available for further processing via an individual interface 7 .

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.As described above, the electronics 6 can perform arithmetic operations and individually compensate for measurement errors based on the arithmetic operations carried out, the sensor 1 being acted upon with pure gas components relative to individual gas components. The measurement behavior in relation to these pure gas components is recorded and finally the measurement data made available, in particular for the individual gas components, are given to the EEPROM designated by 8 , which can later make them available at the interface for further processing.

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. In Fig . 2 shows a measuring section 9 with a plurality of sensors 1 for different gas components. These are called IS 1 , IS 2 , IS 3 and immediately.

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.Via the interface 7 ' , the individual values determined are made available to a further computer, generally designated 10 . They can be called up, recorded or used for control purposes and the like. Like. more.

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.Finally, Fig . 3 shows a general computer designated 10 ', from which a plurality of measuring points 9 ' can be called up. The common interface is designated 7 '' .

Nachfolgend ist eine Kurzfassung der mathematischen Grundvoraussetzungen für die Fehlerkompensation nach der vorliegenden Erfindung angegeben: The following is a brief summary of the basic mathematical requirements for error compensation according to the present Invention stated:

Statisches Sensormodell Static sensor model

Gleichungssystem:System of equations:

n Unbekannte
n Gleichungen n unknown
n equations

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 u ₁ = a ₁₁ k ₁ + a ₁₂ k ₂ +. . . + a _{1 n} k _n
u ₂ = a ₂₁ k ₁ + a ₂₂ k ₂ +. . . + a _{2 n} k _n
·
·
·
u _n = a _{n 1} k ₁ + a _{n 2} k ₃ +. . . + a _nn k _n

darin bedeuten:mean:

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] u _i = total signal of the i th sensor [mV]
a _ik = sensitivity of the i- th sensor to the k- th gas [mV / ppm]
k _i = apparent concentration of the i- th gas [ppm]

oder in Matrizenschreibweiseor in matrix notation

Die Lösung lautet:The solution is:

oder ausführlich:or in detail:

Dynamisches Sensormodell Dynamic sensor model

Approximation model 2nd order linear differential equation

Bei Voraussetzung der Gültigkeit des Superpositionsprinzips:If the superposition principle is valid:

keine Modell-Bestandteile.no model components.

c _ÿ und b _ÿ sollen dem dynamischen Anzeigenfehler korrigieren: c _ÿ and b _ÿ should correct the dynamic display error:

Differentialgleichungssystem Differential equation system

oder in Matrizenschreibweise:or in matrix notation:

Die Lösung nach Linksmultiplikation mit ^-1 und Umstellung:The solution after left multiplication with ^-1 and conversion:

Nach diesem Schema läßt sich der Kalibriervorgang erweitern, wenn dieThe calibration process can be carried out according to this scheme expand when the

Empirischen Übergangsfunktionen aller Sensoren auf alle GaskomponentenEmpirical transition functions all sensors on all gas components

unter gleichen Testbedingungen aufgenommen (z. B. numerisch auf Datenträger aufgezeichnet) und nach (3) ausgewertet werden. recorded under the same test conditions (e.g. recorded numerically on data medium) and evaluated according to (3).

Rechenprogramm: Kalibrieren Computer program: calibration

Dynamische Meßwert- und Querempfindlichkeitskorrektur Dynamic measurement and cross sensitivity correction

Schieberegister Meßdaten Measurement data shift register

Kommunikationsprotokoll Communication protocol

* MSI-Block-Protokoll * MSI block protocol

Claims

1. A method for measuring error correction in multi-component fluid analyzers, in particular in gas analyzers, with sensors for the components of the fluids to be determined, each sensor being equipped with electronics, characterized in that a dynamic display error after a by the electronics when measuring the respective component predetermined computing model is determined and compensated and the compensated measurement signal is made available for further processing.

2. The method according to claim 1, characterized, that the exact course of each sensor during the calibration process the measurement dynamics in the form of an excitation function and the exact course of the dynamic measurement error is obtained from this and the curves obtained to compensate for the Measurement error directly from the respective individual electronics be abandoned.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that sensor constants are determined based on measurements made and the compensation electronics.

4. The method according to claim 3, characterized, that the electronics of each sensor are for that individual characteristic, static and dynamic behavior for all fluid components and environmental influences in the form of Stores characteristic data, this data by the loading can be determined with pure test fluids, and that this stored data via an interface of a Evaluation unit can be made available.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that a computing device for processing a linear System of differential equations first, second or higher Order for measuring error and cross sensitivity compensation is used.

6. The method according to claim 5, characterized, that via an interface of a device for a measurement signal adaptation a plurality of groups of measured variables different Measuring points are fed.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the main evaluation device the sensor-specific, individual characteristics and those of the individual sensors arranges the delivered measured values as related time series and with the help of the correction procedure, the static and forms dynamically corrected measured values.