DE19617677A1 - Sensorsystem mit selektiv nicht sensitiven Sensoren - Google Patents
Sensorsystem mit selektiv nicht sensitiven SensorenInfo
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Description
Die zu lösende Aufgabe besteht darin, einen komplexen Zustand, z. B. die Gaszusam
mensetzung in einem bestimmten Volumen, durch ein Sensorsystem zu bestimmen.
Dabei sind die zur Verfügung stehenden Sensoren nicht selektiv, d. h. sie reagieren nicht
nur auf eine Größe, z. B. die Konzentration des Gases A, sondern auch auf andere Grö
ßen, z. B. die Konzentration des Gases B, die relative Luftfeuchte und die Temperatur.
Desweiteren sind die Ausgangssignale der Sensoren im allgemeinen nicht linear von den
physikalischen Größen abhängig. Die Ausgangssignale eines Sensors sind auch nicht li
near superponierbar, d. h. das Ausgangssignal eines Sensors für einen kombinierten
Zustand, z. B. Gas A mit der Konzentration x und Gas B mit der Konzentration y,
ist nicht aus dem Ausgangssignal des Sensors für den Zustand Gas A mit der Kon
zentration x und dem Ausgangssignal des Sensors für den Zustand Gas B mit der
Konzentration y berechenbar.
Nach dem Stand der Technik wird versucht die Aufgabe dadurch zu lösen, daß man
ein Sensorsystem mit solchen Sensoren für alle möglichen kombinierten Zustände vor
her vermißt (Eichmessungen). Im Betrieb wird dann aus den eingehenden Signalen der
Sensoren aufgrund der Datenbasis der Eichmessungen der zu messende Zustand mit
einem Auswertealgorithmus bestimmt, bzw. versucht diesen zu bestimmen. Verwendete
Auswertealgorithmen sind dabei algebraische Methoden, neuronale Netze und evolu
tionäre Strategien.
Die algebraischen Methoden gliedern sich in drei Fälle:
- 1. Ist der Zusammenhang zwischen der Konzentration der Gase und des Sensorout puts linear, so kann die Gaskonzentration durch Methoden der linearen Algebra eindeutig ermittelt werden. Voraussetzung hierfür ist, daß die Reaktion der Sen soren gegenüber den Einzelgasen und deren Mischungen bekannt ist.
- 2. Der Zusammenhang zwischen der Konzentration der Gase und des Sensoroutputs ist nichtlinear, aber es besteht die Möglichkeit die Sensorkennlinie, das ist der Zusammenhang zwischen Gaskonzentration und Sensoroutput, durch geeignete Transformationen zu linearisieren. Für diese Fälle kann dann mit Methoden der linearen Algebra die Konzentration des Gases bestimmt werden. Nach der Kon zentrationsbestimmung wird eine eindeutige Rücktransformation durchgeführt. Diese Rücktransformation ist die Inverse der Hintransformation.
- 3. Existiert die Transformation zur Linearisierung der Sensorkennlinien nicht, oder ist deren Rücktransformation nicht bekannt oder nicht umgekehrt eindeutig, so kann die Gaskonzentration auch durch numerische Methoden zur Lösung von mehrdimensionalen, nichtlinearen Gleichungssystemen bestimmt werden.
Eine völlig andere Vorgehensweise liegt den Neuronalen Netzen zu Grunde. Ein neu
ronales Netz wird mit allen Sensordaten aus Eichmessungen trainiert. Nach dieser
Lernphase wird das Netz mit eine unbekannten Gaskonzentration konfrontiert. Durch
das erlernte Verhalten der neuronalen Netz, ist aus dem Sensoroutput die unbekannten
Gaskonzentration durch das neuronale Netz ermittelbar.
Evolutionäre Strategien verfahren im wesentlichen nach der Methode "Versuch und
Irrtum". Es werden Gaskonzentrationen der Gase geraten, daraus die entsprechenden
Ausgangssignale der Sensoren berechnet und mit den wirklich gemessenen Ausgangs
signalen der Sensoren verglichen. Die Kombinationen für die Gaskonzentrationen, de
ren berechnete Ausgangssignale der Sensoren den wirklichen nahe kommen, werden
ausgewählt (selektiert) und durch Mutation, Vererbung und Fortpflanzung verändert
und erneut bewertet, d. h. die Ausgangssignale der Sensoren zu diesen Gaskonzentra
tionen werden berechnet und mit den wirklichen verglichen. Die Kombinationen mit
den geringsten Abweichungen werden wieder selektiert, verändert und bewertet. Dieser
Kreislauf wird solange durchlaufen, bis man ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht
hat oder die zur Berechnung vorgesehene Zeit abgelaufen ist.
Allen diesen Methoden ist gemeinsam, daß die Anzahl der notwendigen Eichmessungen
exponentiell mit der Anzahl der zumessenden Größen, z. B. der Anzahl der verschiede
nen Gase, die gleichzeitig anwesend sein dürfen, ansteigt, und somit in der Praxis nur
für wenige Einzelfälle durchführbar ist.
Das neue Sensorsystem mit selektiv nicht sensitiven Sensoren macht zum einen Zu
stände bestimmbar, die mit bisherigen Methoden nicht bestimmbar waren, und zum
anderen ergeben sich Einsatzbereiche, für die die bisherigen Methoden wegen der großen
Zahl der notwendigen Eichmessungen nicht durchführbar waren. Bei dem neuen Sen
sorsystem steigt die Anzahl der notwendigen Eichmessungen nur linear mit der Anzahl
der zu messenden Größen an.
Die Funktionsweise des neuen Sensorsystems soll als erstes anhand eines einfachen
Beispiels gezeigt werden. In einem abgeschlossenen Volumen soll die Gasart und ih
re Konzentration bestimmt werden. Aufgrund anderer Nebenbedingungen ist bekannt,
daß sich in diesem Volumen nur eine Gasart befindet, und dafür nur die Gasarten A,
B und C in Frage kommen. Eine derartige Ausgangsposition oder eine ähnliche ergibt
sich häufig in der Verfahrenstechnik. Hierfür wird jetzt ein Sensorsystem mit drei Sen
soren verwendet, wobei die Ausgangssignale Si der Sensoren folgende Abhängigkeiten
besitzen:
S₁ = ∫(-,B,C)
S₂ = ∫(A,-,C)
S₃ = ∫(A,B,-)
S₂ = ∫(A,-,C)
S₃ = ∫(A,B,-)
dabei sind A, B und C die Konzentrationen der Gase A, B und C. Laut diesen
Gleichungen ist das Ausgangssignal des ersten Sensors S₁ nicht von der Konzentration
des Gases A abhängig, Sensor 2 nicht von der Konzentration des Gases B und Sensor
3 nicht von der Konzentration der Gases C. Tritt jetzt z. B. das Gas B auf, so reagieren
die Sensoren 1 und 3, während der Sensor 2 nicht reagiert. Da der Sensor 2 nicht rea
giert, weiß man, daß weder Gas A noch Gas C vorliegt. Also sind die Reaktionen der
Sensoren 1 und 3 nur auf Gas B zurückzuführen. Die Konzentration des Gases B läßt
sich sowohl aus der Kennlinie von Sensor 1 als auch aus der von Sensor 3 ermitteln.
Hier ist das System sogar redundant, und diese Redundanz läßt sich zur Abschätzung
des Fehlers, zur Kontrolle und zur Mittelwertbildung einsetzen.
Läge nur Gas A oder nur Gas C vor, so ergibt sich im Prinzip das gleiche, wobei die
Sensoren und die entsprechenden Reaktionen durchpermutiert sind. Treten entgegen
den Voraussetzungen zwei oder drei Gase gleichzeitig auf, so reagieren alle drei Senso
ren und man erkennt die Verletzung der Voraussetzung.
Die Grundsätze des neuen Sensorsystems sind folgende:
- - Mindestens ein Sensor darf nicht auf die zu messende Größe reagieren. Dieser wird auch als Non-Sensor bezeichnet.
- - Mindestens ein Sensor muß auf die zu messende Größe reagieren. Dieser wird auch als Meßsensor bezeichnet und darf auch auf andere Größen reagieren.
- - Mit Hilfe der Information welcher Sensor nicht reagiert wird die zu messende Größe identifiziert.
- - Aus den Ausgangssignalen der reagierenden Sensoren wird die Quantität der zumessenden Größe bestimmt.
Dieses Prinzip läßt sich auch auf n Sensoren und n Gase erweitern. Wenn nur ein
Gas und keine Gasgemische auftreten, dann sind mit n Sensoren genau n Gase meß
bar. Hierzu ist es erforderlich, daß jeder Sensor genau auf ein Gas nicht reagiert, die
anderen jedoch reagieren. Die Einteilung in Non-Sensor und Meßsensoren hängt vom
auftretenden Gas ab. Die Ausgangssignale der Sensoren sind:
Si = ∫(₁,₂, . . . , i-1, -,i+1, . . . ,n)
für i = 1 bis n.
für i = 1 bis n.
Tritt nun z. B. das Gas mit der Nummer k auf, so reagieren alle Sensoren außer dem
Sensor k. Dadurch ist das Gas k identifiziert. Die Konzentration von Gas k ist be
stimmbar, wenn von mindestens einem reagierenden Sensor die Kennlinie für das Gas
k (Si = ∫(0,0, . . . , 0, k, 0, . . . , 0)), das ist die Abhängigkeit des Ausgangssignals dieses
Sensors von der Konzentration des Gases k bei alleiniger Anwesenheit dieses Gases,
vermessen wurde.
Durch Hinzufügen weiterer Non-Sensoren können auch Gasgemische aus vielen Gasen
analysiert werden. Die Eigenschaften der weiteren Sensoren müssen so sein, daß sie
nicht auf das zu messende Gasgemisch reagieren.
Als Beispiel wird ein System betrachtet, das vier Gase analysieren soll. Aufgrund an
derer Nebenbedingungen ist bekannt, daß nur die Gasarten A, B, C und D auftreten
können und zwar entweder alleine oder ein Gemisch aus Gas A und Gas B.
Hierfür wird jetzt ein Sensorsystem mit fünf Sensoren verwendet, wobei die Ausgangs
signale Si der Sensoren folgende Abhängigkeiten besitzen:
S₁ = ∫(-,B,C,D)
S₂ = ∫(A,-,C,D)
S₃ = ∫(A,B,-,D)
S₄ = ∫(A,B,C, -)
S₅ = ∫(-, -,C,D)
S₂ = ∫(A,-,C,D)
S₃ = ∫(A,B,-,D)
S₄ = ∫(A,B,C, -)
S₅ = ∫(-, -,C,D)
dabei sind A, ηB, C und D die Konzentrationen der Gase A, B, C und D. Tritt
eines der Gase auf, so erfolgt die Identifikation des Gases und die Bestimmung der
Konzentration analog zum Beispiel mit drei Gasen. Wenn also z. B. Gas C auftritt, so
reagieren die Sensoren 1, 2, 4 und 5. Sensor 3 dagegen reagiert nicht und man weiß
daher, daß Gas A, Gas B und Gas D nicht vorhanden sind. Die Reaktionen der anderen
Sensoren sind daher nur auf Gas C zurückzuführen und die Konzentration des Gases
C läßt sich aus jedem der Ausgangssignale der reagierenden Sensoren berechnen.
Zusätzlich zu den Einzelgasen ist mit diesem System auch ein Gasgemisch aus den
Gasen A und B identifizierbar und deren Konzentrationen bestimmbar. Tritt das Ge
misch aus Gas A und Gas B auf, so reagieren die Sensoren 1 bis 4, während der Sensor
5 nicht reagiert, aus den Reaktionen der Sensoren 1 bis 4 weiß man, daß kein Einzelgas
vorliegt. Da Sensor 5 nicht reagiert, können die Gase C und D nicht an dem Gemisch
beteiligt sein. Daher folgt, daß genau die Gase A und B anwesend sind. Deren Konzen
trationen lassen sich aus dem Ausgangssignal des Sensors 1 (Konzentration des Gases
B) und aus dem Ausgangssignal des Sensors 2 (Konzentration des Gases A) bestimmen.
Durch Hinzufügen geeigneter weiterer Sensoren können auch die anderen Gasgemi
sche analysiert werden.
Gemisch aus Gas A und Gas C: S₆ = ∫(-,B,-,D)
Gemisch aus Gas A und Gas D: S₇ = ∫(-,B,C, -)
Gemisch aus Gas B und Gas C: S₈ = ∫(A, -, -,D)
Gemisch aus Gas B und Gas D: S₉ = ∫(A,-,C,-)
Gemisch aus Gas C und Gas D: S₁₀ = ∫(A,B,-,-)
Gemisch aus Gas A und Gas D: S₇ = ∫(-,B,C, -)
Gemisch aus Gas B und Gas C: S₈ = ∫(A, -, -,D)
Gemisch aus Gas B und Gas D: S₉ = ∫(A,-,C,-)
Gemisch aus Gas C und Gas D: S₁₀ = ∫(A,B,-,-)
Entsprechend läßt sich auch ein Sensorsystem für noch mehr Gase und Gemische aus
mehr als zwei Komponenten aufbauen.
Die Schwierigkeit in Praxis besteht darin, die entsprechenden Sensoren zu finden bzw.
zu entwickeln. Die Anforderungen an die Ausgangssignale der selektiv nicht sensitiven
Sensoren Si = ∫(₁,₂, . . . , i-1,-,i+1, . . . ,n) sind aber deutlich niedriger als die
Anforderungen an selektive Sensoren Si = ∫(-,-, . . . ,-,i, , . . . ,-).
Lassen sich derartige selektiv nicht sensitive Sensoren nicht finden, so kann man mit ge
wissen Einschränkungen selektiv sehr schwach reagierende Sensoren als Non-Sensoren
verwenden. Hierzu definiert man einen Schwellwert für das Ausgangssignal dieses Sen
sors. Liegt das Ausgangssignal unter dieser Schwelle, so wird in der Auswerteschaltung
zur Identifikation der Gase der Wert als Null angenommen. Dadurch verhält sich die
ser Sensor dem Gas gegenüber auf das er sehr schwach reagiert wie ein Non-Sensor
und ermöglicht so die Identifikation dieses Gases. Wird die Konzentration dieses Gases
jedoch so hoch, daß der Schwellwert überschritten wird, so verliert der Sensor seine
wichtige Non-Sensor-Eigenschaft. Falls man kontinuierlich mißt, steigt die Konzentra
tion des Gases mit der Zeit an und das Ausgangssignal des Sensors nähert sich dem
Schwellwert. In diesem Fall kann man den Fehler vorhersehen und durch geeignete Al
gorithmen abfangen.
Es gibt noch einen weiteren Fehler, den ein als Non-Sensor eingesetzter sehr schwach
reagierender Sensor mit Schwellwert macht. Ist nämlich ein Gas, auf das dieser Sensor
reagieren soll, in einer derartig geringen Konzentration vorhanden, daß das Ausgangs
signal den Schwellwert nicht erreicht, so verhält sich dieser Sensor in der Auswerte
schaltung zur Identifikation der Gase als sei dieses Gas nicht vorhanden. Da es sich
hierbei im allgemeinen um eine sehr geringe Konzentration handelt, die Null gesetzt
wird, ist dieser Fehler nicht besonders tragisch.
Das Hauptanwendungsgebiet des Sensorsystems mit selektiv nicht sensitiven Senso
ren ist, wie man anhand der Beispiele sieht, die Gassensorik. Aber es gibt auch weitere
Anwendungsgebiete. Eine Kombination aus einem Beschleunigungssensor und einem
Mikrophon an einer Maschine, die Erschütterungen ausgesetzt ist. Zum Beispiel einen
selbstfahrenden Rasenmäher, der sprachgesteuert funktionieren soll. Das Mikrophon
reagiert sowohl auf Schall als auch auf Erschütterungen, die durch den Motor oder
durch die Fahrt über unebenes Gelände hervorgerufen werden. Durch den Beschleuni
gungssensor (Non-Sensor für Schall), der nur auf die Erschütterungen reagiert, läßt
sich ein Mikrophonsignal eindeutig als Schallsignal identifizieren.
Claims (12)
1. Sensorsystem, mindestens bestehend aus Sensoren und Auswerteeinheit, dadurch
gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinheit die Nichtsensitivität eines oder mehrerer Sensoren gegen
über bestimmten zu messenden Zuständen zur Bestimmung des zu messenden
Zustandes benützt.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der Sensoren ein Gassensor ist.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der Sensoren ein Temperatursensor ist.
4. Sensorsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der Sensoren ein Sensor für die relative Luftfeuchtigkeit ist.
5. Sensorsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der Sensoren ein Drucksensor ist.
6. Sensorsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der Sensoren ein Beschleunigungssensor ist.
7. Sensorsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der Sensoren ein Mikrophon ist.
8. Sensorsystem nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß
die Signale der Sensoren aufgezeichnet werden, bevor sie von der Auswerteeinheit
analysiert werden.
9. Sensorsystem nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß
die Signale der Sensoren aufgezeichnet werden, und die Auswerteeinheit die Daten
aus der Aufzeichnung erhält und nicht direkt von den Sensoren.
10. Sensorsystem nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß
die Ergebnisse der Analyse durch die Auswerteeinheit aufgezeichnet werden.
11. Sensorsystem nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß
die Ergebnisse der Analyse durch die Auswerteeinheit auf Anzeigeinstrumenten,
Displays und Bildschirmen dargestellt werden.
12. Sensorsystem nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß
die Ergebnisse der Analyse durch die Auswerteeinheit zur Steuerung und Rege
lung von Aktuatoren verwendet werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996117677 DE19617677A1 (de) | 1996-05-03 | 1996-05-03 | Sensorsystem mit selektiv nicht sensitiven Sensoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996117677 DE19617677A1 (de) | 1996-05-03 | 1996-05-03 | Sensorsystem mit selektiv nicht sensitiven Sensoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19617677A1 true DE19617677A1 (de) | 1996-11-28 |
Family
ID=7793160
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996117677 Withdrawn DE19617677A1 (de) | 1996-05-03 | 1996-05-03 | Sensorsystem mit selektiv nicht sensitiven Sensoren |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19617677A1 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3839864C2 (de) * | 1987-11-27 | 1992-03-26 | Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, Jp | |
DE3511249C2 (de) * | 1985-03-28 | 1993-09-16 | Deutsche Aerospace Ag, 80804 Muenchen, De | |
DE4341645C2 (de) * | 1993-12-07 | 1996-04-04 | Volkswagen Ag | Verfahren zur Echtzeit-Messung von dynamischen dreidimensionalen Verformungen eines Meßobjektes |
-
1996
- 1996-05-03 DE DE1996117677 patent/DE19617677A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3511249C2 (de) * | 1985-03-28 | 1993-09-16 | Deutsche Aerospace Ag, 80804 Muenchen, De | |
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DE4341645C2 (de) * | 1993-12-07 | 1996-04-04 | Volkswagen Ag | Verfahren zur Echtzeit-Messung von dynamischen dreidimensionalen Verformungen eines Meßobjektes |
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