DE19617677A1

DE19617677A1 - Sensorsystem mit selektiv nicht sensitiven Sensoren

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Publication number: DE19617677A1
Application number: DE1996117677
Authority: DE
Inventors: Harald Gerlach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1996-05-03
Publication date: 1996-11-28

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 S_i der Sensoren folgende Abhängigkeiten besitzen:

S₁ = ∫(-,_B,_C)
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:

S_i = ∫(₁,₂, . . . , _i-1, -,_i+1, . . . ,_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 (S_i = ∫(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 S_i der Sensoren folgende Abhängigkeiten besitzen:

S₁ = ∫(-,_B,_C,_D)
S₂ = ∫(_A,-,_C,_D)
S₃ = ∫(_A,_B,-,_D)
S₄ = ∫(_A,_B,_C, -)
S₅ = ∫(-, -,_C,_D)

dabei sind _A, η_B, _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,-,-)

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 S_i = ∫(₁,₂, . . . , _i-1,-,_i+1, . . . ,_n) sind aber deutlich niedriger als die Anforderungen an selektive Sensoren S_i = ∫(-,-, . . . ,-,_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

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.