DE102007024198A1

DE102007024198A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasanalyse

Info

Publication number: DE102007024198A1
Application number: DE102007024198A
Authority: DE
Inventors: Holger Mielenz; Alexander Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-11-27
Also published as: JP2010528274A; WO2008141956A9; US20100140477A1; EP2156165A1; WO2008141956A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Gasgröße mittels eines Gassensorsystems und wenigstens einer Systemgröße dieses Gassensorsystems, bei dem - die Gasgröße wenigstens zweimal gemessen wird, wobei sich die wenigstens zwei Messungen durch Einstellung zweier unterschiedlicher Werte für einen Parameter des Gassensorsystems unterscheiden und - anhand der wenigstens zwei Messungen die wenigstens eine Systemgröße und die wenigstens eine Gasgröße ermittelt werden.

Description

Stand der Technik
Eine häufige Anwendung spektroskopischer Sensoren ist die Gasmesstechnik. Das Funktionsprinzip beruht auf dem Lambert-Beerschen Absorptionsgesetz. Gase absorbieren demnach durch Anregung molekularer Schwingungen Infrarotstrahlung (= IR-Strahlung) in bestimmten Wellenlängenbereichen. Die Zahl der Interaktionen zwischen Photonen und Molekülen ist ausschlaggebend für den Grad der Strahlungsabsorption. Folglich kann von der gemessenen Intensität direkt auf die Zahl der Moleküle im Absorptionspfad geschlossen werden. Als IR-Quellen und IR-Detektoren können unterschiedliche Elemente zum Einsatz kommen. Zum Beispiel kommen im mittleren IR-Bereich, in dem die Absorptionsbanden von Gasen besonders ausgeprägt sind, thermische Strahler wie Glühlampen oder MEMS (= Microelectromechanical Systems) zum Einsatz. Als entsprechende Detektorelemente sind Bolometer, pyroelektrische Detektoren und Thermopiles bekannt. Im Betrieb ist besonders die Strahlungsquelle unterschiedlichen Drifteffekten unterworfen. Wird zum Beispiel bei Gasdetektoren die Strahlungsintensität mit nur einem Detektor gemessen, gehen Drifteffekte direkt als Fehler in die Berechnung der Molekülzahl ein. Um derartige Abweichung zu verringern, sind momentan zwei unterschiedliche Verfahren bekannt:
1) Referenz über ein zusätzliches Detektorelement:
Mit einem in einem Referenzkanal angeordneten zweiten Infrarotdetektor wird die Strahlungsintensität des IR-Emitters in einem atmosphärischen Fenster gemessen. Unbeeinflusst von Absorptionseffekten ist es in diesem Wellenlängenbereich möglich, die momentan ausgestrahlte Intensität der Strahlungsquelle zu erfassen. Da das Lambert-Beersche Absorptionsgesetz einen multiplikativen Zusammenhang zwischen der Gaskonzentration und der IR-Intensität aufweist, können durch Quotientenbildung aus Absorptions- und Referenzmessung Drifteffekte des IR-Strahlers minimiert werden.
2) Referenz über zusätzlichen IR-Strahler:
Entgegen dem bereits beschriebenen Konzept wird ein zweiter IR-Strahler als Referenz verwendet. Dadurch sollen Intensitätsabweichungen ausgeglichen werden, die insbesondere bei thermischen Emittern durch mechanische Beschädigungen hervorgerufen werden, welche von Erschütterungen während des heißen Zustandes herrühren. Systematisch wird bei diesem Konzept ein Strahler dauerhaft zur Messung der Gaskonzentration verwendet. Der zweite als Referenzstrahler eingesetzte Strahler wird in langen Abständen kurz eingeschaltet, um den gemessenen Konzentrationswert auf seinen Sollwert zu normalisieren. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Referenzstrahler immer das korrekte Ausgangssignal erzeugt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Gasgröße mittels eines Gassensorsystems und wenigstens einer Systemgröße dieses Gassensorsystems, bei dem

– die Gasgröße wenigstens zweimal gemessen wird, wobei sich diese wenigstens zwei Messungen durch Einstellung zweier unterschiedlicher Werte für einen Parameter des Gassensorsystems unterscheiden und
– anhand der wenigstens zwei Messungen die wenigstens eine Systemgröße und die wenigstens eine Gasgröße ermittelt werden.

Die Erfindung ermöglicht es, zugleich mit der Messung von Gasgrößen zusätzliche Systemgrößen zu erfassen, welche beispielsweise für eine Kalibrierung des Systems verwendet werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Parameter um die Temperatur einer dem Gassensor zugeordneten Strahlungsquelle handelt. Dieser Parameter ist besonders einfach einstellbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gasgröße um eine Gaskonzentration handelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Systemgröße um eine die Alterung oder Restlebensdauer der Strahlungsquelle beschreibende Größe handelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Systemgröße um eine eine Verschmutzung des Gassensorsystems kennzeichnende Größe handelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Gassensorsystem um ein spektroskopisches Gassensorsystem handelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die wenigstens zwei Messungen ein lineares Gleichungssystem erzeugt wird,

– dessen Anzahl der Gleichungen der Anzahl der Messungen entspricht,
– dessen Unbekannte die Gasgrößen und die Systemgrößen sind und
– die Ermittlung der Gasgrößen und der Systemgrößen durch Auflösung des linearen Gleichungssystems erfolgt.

Die Auflösung linearer Gleichungssysteme ist mit bekannten Standardverfahren der Mathematik leicht möglich. Ebenso kann dazu ein Mustererkennungsalgorithmus verwendet werden.
Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung wenigstens einer Gasgröße mittels eines Gassensorsystems und wenigstens einer Systemgröße dieses Gassensorsystems, enthaltend

– Mittel zur wenigstens zweimaligen Messung der Gasgröße, wobei sich die wenigstens zwei Messungen durch Einstellung zweier unterschiedlicher Werte für einen Parameter des Gassensorsystems unterscheiden und
– Mittel zur Ermittlung der wenigstens einen Systemgröße und der wenigstens einen Gasgröße aus den wenigstens zwei Messungen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gassensorsystem um ein spektroskopisches Gassensorsystem handelt, bestehend aus

– einer Strahlungsquelle,
– einer optischen Absorptionsstrecke und
– einem Strahlungsdetektor.

Die Zeichnung umfasst die 1 bis 6.
1 zeigt ein herkömmliches Gasanalysesystem.
2 zeigt eine unspezifische bzw. nichtselektive IR-Filter-Transmissionscharakteristik.
3 zeigt eine spezifische bzw. selektive IR-Filter-Transmissionscharakteristik.
4 zeigt einen charakteristischen Intensitätsverlauf eines Strahles im Konstantstrombetrieb bei dünner werdendem Glühfaden.
5 zeigt einen charakteristischen Intensitätsverlauf bei verschmutztem Strahlengang.
6 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Aufgabe der Erfindung ist die Korrektur der Abweichungen eines Sensorsystems, ohne jedoch zusätzliche Hardwarekomponenten wie Detektor oder IR-Quelle integrieren zu müssen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf spektroskopische Sensoren. Im Falle von thermischen Strahlungsquellen sollen durch Messung bei zwei unterschiedlichen IR-Strahlertemperaturen zusätzliche, linear unabhängige Informationen über den Zustand des Sensorssystems gewonnen werden. Auf Basis dieser Daten ist die Korrektur von Abweichungen möglich. Vorteilhafterweise kann auf zusätzliche Hardware wie z. B. einen Referenzkanal verzichtet werden, da es genügt, die Steuersoftware so anzupassen, das Messungen mit kleinem zeitlichem Versatz bei zwei unterschiedlichen Strahlertemperaturen gemacht werden können. Die Erfindung lässt es zudem zu, den Zustand des Sensorsystems kontinuierlich zu beobachten. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit zur selbständigen Kalibrierung des Systems sowie zu Restlebensdaueruntersuchungen bzw. end-of-life-Berechnungen von kritischen Bauelementen.
Dem System zugrunde liegt ein herkömmliches optisches Sensorsystem, wie es in 1 dargestellt ist. Dieses weist einen Strahler 1, einen optischen Absorptionspfad 4, und ein oder mehrere wellenlängenselektive Elemente 2 mit einem dahinterliegenden Detektor 3 auf. Insbesondere können als wellenlängenselekti ve Elemente 2 auch Transmissionsfilter eingesetzt werden, deren Transmissionscharakteristik sowohl selektiv (wie in 3 mit der Absorptionslinie 5d dargestellt) als auch unspezifisch (wie in 2 mit den Absorptionslinien 5a–5c dargestellt) sein kann. Dazu ist in den 2 und 3 in Abszissenrichtung eine Frequenz und in Ordinatenrichtung die Transmission aufgetragen.
Um im Falle eines Gassensors die Konzentration eines oder mehrerer Gase eines Gemisches berechnen zu können, muss für jede Absorptionslinie ein linear unabhängiger Messpunkt vorliegen. Im einfachsten Fall, wie dies in 3 dargestellt ist, kann dies durch einen einzigen Messpunkt erreicht werden.
Bei dem in 2 dargestellten 2-Kanal-System müssen bereits zwei linear unabhängige Arbeitspunkte angefahren werden. Dies kann z. B. durch Änderung der Wendeltemperatur eines thermischen Strahlers wie z. B. einer Glühbirne erreicht werden. Insgesamt werden so 4 linear unabhängige Messpunkte generiert, indem zwei Detektoren (pro Kanal ein Detektor) bei jeweils zwei unterschiedlichen Temperaturen messen. Bei drei Unbekannten (dies sind die drei zu den Absorptionslinien 5a, 5b und 5c gehörenden Gase, deren Konzentration gemessen werden soll), wäre ein entsprechendes lineares Gleichungssystem überbestimmt. Die zusätzliche, linear unabhängige Information steht zur Verfügung, um systemrelevante Parameter zu beobachten.
Analytisch gesehen kann bei bekannter Konzentration der Gase über den zusätzlichen, linear unabhängigen Messwert eine Zuordnung der Detektorspannung zur Intensität der Strahlungsquelle hergestellt werden. Bei kontinuierlicher Beobachtung des Systems können so charakteristische Abweichungsverläufe detektiert und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Gegenmaßnahmen sind z. B. eine Korrektur eines Messwertes oder eine Warnfunktion im Falle eines zu erwartenden Defektes.
Auch im einfacheren Fall von 3 kann durch Messung bei einem zweiten Arbeitspunkt zusätzliche, linear unabhängige Information über das System gewonnen und zur Selbstkalibrierung genutzt werden, wodurch auch hier auf zusätzliche Referenzkanäle verzichtet werden kann.
Unter anderem lassen sich zwei charakteristische Defekte wie folgt erkennen:
1) Defekt der Strahlungsquelle:
Nach dem Ohmschen Gesetz ist es z. B. zu erwarten, dass die Intensität der Glühwendel im Konstantstrombetrieb steigt, je dünner die Glühwendel wird. Die Diagnosefunktion würde einen Verlauf ähnlich 4 ergeben. Dort ist in Abszissenrichtung die Betriebszeitzeit t aufgetragen und in Ordinatenrichtung die abgestrahlte Intensität I. Mit der Betriebszeit t steigt die abgestrahlte Intensität I.
2) Verschmutzung des optischen Pfads:
Eine Reduktion der gemessenen Intensität kann erwartet werden, wenn sich z. B. Staub oder andere Ablagerungen auf Filtern oder reflektierenden Elementen niedergeschlagen haben. In 5 ist ein charakteristischer Intensitätsverlauf bei zeitlich zunehmend verschmutztem Strahlengang dargestellt. Dazu ist in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung eine mit einem Detektorelement erfasste bzw. an dem Detektorelement ankommende Intensität I dargestellt.
Die charakteristischen Verläufe erlauben es, unterschiedliche Arten von Defekten zu erkennen und Restlebensdauerberechnungen anzustellen. Damit lässt sich z. B. die Restlebensdauer einer Glühbirne exakter vorbestimmen. Die Auswertung der Datenverläufe kann z. B. analytisch über Anpassung der Messdaten als auch über Methoden wie Regressionsverfahren oder neuronale Netze erfolgen.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 6 dargestellt. Nach dem Start des Verfahrens in Block 600 wird in Block 601 die Gasgröße wenigstens zweimal gemessen, wobei sich die wenigstens zwei Messungen durch Einstellung zweier unterschiedlicher Werte für einen Parameter des Gassensorsystems unterscheiden. Anschließend werden in Block 602 anhand der wenigstens zwei Messungen die wenigstens eine Systemgröße und die wenigstens eine Gasgröße ermittelt. In Block 603 endet das erfindungsgemäße Verfahren.

Claims

Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Gasgröße mittels eines Gassensorsystems und wenigstens einer Systemgröße dieses Gassensorsystems, bei dem – die Gasgröße wenigstens zweimal gemessen wird (600), wobei sich die wenigstens zwei Messungen durch Einstellung zweier unterschiedlicher Werte für einen Parameter des Gassensorsystems unterscheiden und – anhand der wenigstens zwei Messungen die wenigstens eine Systemgröße und die wenigstens eine Gasgröße ermittelt werden (601).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Parameter um die Temperatur einer dem Gassensor zugeordneten Strahlungsquelle (1) handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gasgröße um eine Gaskonzentration handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Systemgröße um eine die Alterung oder Restlebensdauer der Strahlungsquelle (1) beschreibende Größe handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Systemgröße um eine eine Verschmutzung des Gassensorsystems kennzeichnende Größe handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Gassensorsystem um ein spektroskopisches Gassensorsystem handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die wenigstens zwei Messungen ein lineares Gleichungssystem erzeugt wird, – dessen Anzahl der Gleichungen der Anzahl der Messungen entspricht, – dessen Unbekannte die Gasgrößen und die Systemgrößen sind und – die Ermittlung der Gasgrößen und der Systemgrößen durch Auflösung des linearen Gleichungssystems erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung des Gleichungssystems mit Hilfe eines Mustererkennungsalgorithmus erfolgt.
Vorrichtung zur Ermittlung wenigstens einer Gasgröße mittels eines Gassensorsystems (1, 2, 3, 4) und wenigstens einer Systemgröße dieses Gassensorsystems, enthaltend – Mittel zur wenigstens zweimaligen Messung der Gasgröße, wobei sich die wenigstens zwei Messungen durch Einstellung zweier unterschiedlicher Werte für einen Parameter des Gassensorsystems unterscheiden und – Mittel zur Ermittlung der wenigstens einen Systemgröße und der wenigstens einen Gasgröße aus den wenigstens zwei Messungen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei Gassensorsystem um ein spektroskopisches Gassensorsystem handelt, bestehend aus – einer Strahlungsquelle (1), – einer optischen Absorptionsstrecke (4) und – einem Strahlungsdetektor (3).