DE3804486A1

DE3804486A1 - Transformation element for an arrangement to measure the concentrations in gas and material mixtures by using sensor elements with non-linear characteristic curves

Info

Publication number: DE3804486A1
Application number: DE19883804486
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof Dr Mueller; Christofer Dipl Ing Hierold; Gerhard Dipl Ing Horner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: MP SENSOR SYSTEMS GMBH, 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1989-08-24

Abstract

Signals from sensor elements (S1, S2, S3) with non-linear characteristic lines arising from the measurement of concentrations of the components of a gas mixture or material mixture are converted in the transformation element (T1, T2, T3), according to an algorithm, into output signals, in which the signal components derived from the individual components contribute additively to the signal level. <IMAGE>

Description

Transformationsglied für eine Anordnung zum Messen der Konzentrationen in Gas- und Stoffgemischen unter Verwendung von Sensorelementen mit nichtlinearen Kennlinien.Transformation element for an arrangement for measuring the concentrations in gas and substance mixtures using sensor elements with non-linear characteristics.

Die Erfindung betrifft ein Transformationsglied für eine Anordnung zur Messung der Konzentrationen der Komponenten in Gas- und Stoffgemischen unter Verwendung von Sensorelementen mit nichtlinearen Kennlinien.The invention relates to a transformation element for an arrangement for measuring the concentrations of components in gas and mixtures of substances using sensor elements non-linear characteristics.

Es ist bekannt (siehe Beispiel DE 35 19 410 A1, DE 35 19 435 A1, DE 35 19 397 A1 und DE 35 19 436 A1) für die Messung von Zusammensetzung und Konzentrationen in Gas- oder Stoffgemischen, Sensoranordnungen zu benutzen, deren Signale mit Hilfe einer Mustererkennungsmatrix ausgewertet werden. Für die Messung von Konzentrationen in Gas- oder Stoffgemischen sind dabei jedoch in Verbindung mit einer Mustererkennungsmatrix am besten solche Sensoranordnungen geeignet, die Sensorelemente mit linearen Kennlinien enthalten. Die meisten Chemosensoren weisen jedoch nichtlineare Kennlinien auf. Die Verwendung dieser Sensorelemente in Verbindung mit Mustererkennungsverfahren führt daher zu schlechten Ergebnissen.It is known (see example DE 35 19 410 A1, DE 35 19 435 A1, DE 35 19 397 A1 and DE 35 19 436 A1) for the measurement of composition and concentrations in gas or substance mixtures, To use sensor arrangements whose signals with the help a pattern recognition matrix can be evaluated. For the measurement of concentrations in gas or substance mixtures are included but best in conjunction with a pattern recognition matrix suitable sensor arrangements, the sensor elements with linear Characteristic curves included. Most chemical sensors, however, show nonlinear characteristics. The use of these sensor elements in connection with pattern recognition processes to poor results.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Transformationsglied anzugeben, in dem die Signale der Sensorelemente so aufbereitet werden, daß zum Ausgangssignal die Signalanteile, die auf die einzelnen Komponenten im Gas- oder Stoffgemisch zurückgehen, additiv beitragen, so daß das Ausgangssignal geeignet ist, von der Mustererkennungsmatrix analysiert zu werden.The invention is based on the object of a transformation element specify in which the signals from the sensor elements are processed be that the signal components, the go back to the individual components in the gas or substance mixture, additively contribute so that the output signal is suitable is to be analyzed by the pattern recognition matrix.

Die Aufgabe wird durch ein Transformationsglied für eine Anordnung zur Messung der Konzentrationen der Komponenten in Gas- und Stoffgemischen unter Verwendung von Sensorelementen mit nichtlinearen Kennlinien insbesondere der Form: The task is performed by a transformation element for an arrangement for measuring the concentrations of components in gas and mixtures of substances using sensor elements non-linear characteristics, in particular of the form:

mitWith

S: Signalhöhe
C _i : Konzentration der Komponente i
a _i : von der Komponente abhängiger Koeffizient
m _i : von der Komponente abhängiger Exponent
n: vom Sensorelement abhängiger Exponent
p: Anzahl der Komponenten S: signal level
C _i : concentration of component i
a _i : coefficient dependent on the component
m _i : exponent dependent on the component
n: exponent dependent on the sensor element
p: number of components

gelöst, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen Eingang aufweist, über den die Signale eines Sensorelementes zugeführt werden, daß es ein Transformationselement aufweist, das die Signale gemäß dem Algorithmussolved, which is characterized according to the invention in that it has an input via which the signals of a sensor element be supplied that there is a transformation element has the signals according to the algorithm

wobei die Beträge von k₁, k₂, k₃ und k₄ zwischen 0 und 1 liegen und S′ die Signalhöhe des Ausgangssignals ist, in Ausgangssignale transformiert und daß es einen Ausgang aufweist an dem die Ausgangssignale abgegriffen werden. In dem Algorithmus muß mindestens einer der Koeffizienten k₁, k₂, k₃ oder k₄ ungleich 0 sein. Die in dem Algorithmus auftretenden Rechenoperationen können durch bekannte Analogrechenschaltungen (siehe zum Beispiel U. Tietze, C. H. Schenk Halbleiterschaltungstechnik, 4. Auflage, Springer Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 1978, Seiten 189 bis 238) realisiert werden. Die benötigte Schaltung vereinfacht sich, wenn jeweils nur einer der Koeffizienten k₁, k₂, k₃, k₄ ungleich 0 ist.the amounts of k ₁, k ₂, k ₃ and k ₄ are between 0 and 1 and S 'is the signal level of the output signal, transformed into output signals and that it has an output from which the output signals are tapped. In the algorithm, at least one of the coefficients k ₁, k ₂, k ₃ or k ₄ must be not equal to 0. The arithmetic operations occurring in the algorithm can be implemented by known analog arithmetic circuits (see for example U. Tietze, CH Schenk semiconductor circuit technology, 4th edition, Springer Verlag Berlin / Heidelberg / New York, 1978, pages 189 to 238). The circuit required is simplified if only one of the coefficients k ₁, k ₂, k ₃, k ₄ is not equal to 0.

Für den Fall, daß k₁ gleich 1, k₂ gleich 0, k₃ gleich 0 und k₄ gleich 0 ist, ergibt sich das Ausgangssignal als S ^1/n. Das Ausgangssignal entspricht einer Addition von Anteilen, die jeweils nur von einer Komponente des Gas- und Stoffgemischs abhängt. Damit ist eine Mustererkennung gut möglich. In the event that k ₁ is 1, k ₂ is 0, k ₃ is 0 and k ₄ is 0, the output signal is S ^{1 / n} . The output signal corresponds to an addition of proportions, which only depends on one component of the gas and substance mixture. This makes pattern recognition possible.

Für den Fall k₂ gleich 1, k₁ gleich 0, k₃ gleich 0 und k₄ gleich 0 entspricht das Ausgangssignal dem Logarithmus des Eingangssignals. Die Verwendung des Logarithmus kann in bezug auf die Rechengenauigkeit vorteilhaft sein.In the case k ₂ equals 1, k ₁ equals 0, k ₃ equals 0 and k ₄ equals 0, the output signal corresponds to the logarithm of the input signal. The use of the logarithm can be advantageous with regard to the calculation accuracy.

Da der Signalanstieg stark von dem vorliegenden Gas- oder Stoffgemisch abhängt, kann aus der zeitlichen Ableitung des transformierten Signals Information über die vorliegenden Komponenten gewonnen werden. Der Fall k₃ und/oder k₄ ungleich 0 nutzt die Komponentenabhängigkeit des Signalanstiegs aus und ist daher für eine schnelle Auswertung geeignet.Since the signal increase is strongly dependent on the gas or substance mixture present, information about the components present can be obtained from the time derivative of the transformed signal. The case k ₃ and / or k ₄ not equal 0 uses the component dependency of the signal rise and is therefore suitable for a quick evaluation.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.The invention is based on an exemplary embodiment and the figures explained in more detail below.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, die drei Sensorelemente, drei Transformationsglieder und eine Mustererkennungsmatrix enthält. Fig. 1 shows an arrangement, the three sensor elements, the three members, and transformation matrix contains a pattern recognition.

Fig. 2 zeigt als Beispiel ein Meßergebnis, bei dem die Signale des Sensorelementes direkt der Mustererkennungsmatrix zugeführt wurden. Fig. 2 shows an example of a measurement result in which the signals of the sensor element are supplied directly to the pattern recognition matrix.

Fig. 3 zeigt als Beispiel dasselbe Meßergebnis wie Fig. 2, wobei jedoch die Signale der Sensorelemente Transformationsgliedern zugeführt wurden, deren Ausgangssignale sodann der Mustererkennungsmatrix zugeführt wurden. Fig. 3 shows, as an example, the same measurement result as shown in FIG. 2, but with the signals of the sensor elements transformation members were fed, then the output signals of the pattern recognition matrix were fed.

Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung, die mehrere, zum Beispiel drei Sensorelemente S₁, S₂, S₃ enthält. Zu jedem Sensorelement S₁, S₂, S₃ ist ein Transformationsglied T₁, T₂, T₃ vorgesehen. Jedes Transformationsglied T₁, T₂, T₃ weist einen Eingang 1 und einen Ausgang 2 auf. Ferner enthält die Anordnung eine Mustererkennungsmatrix M wie sie beispielsweise aus der eingangs erwähnten DE 35 19 410 A1 bekannt ist. Die Signale der Sensorelemente S₁, S₂, S₃ werden über die Eingänge 1 den zugehörigen Transformationsgliedern T₁, T₂, T₃ zugeführt. In dem Transformationsglied ist ein Transformationselement vorgesehen, das die Signale gemäß dem erfindungsgemäßen Algorithmus in Ausgangssignale transformiert. Die Transformationselemente sind zum Beispiel bekannte (siehe z. B. U. Tietze C. H. Schenk Halbleiterschaltungstechnik, 4. Auflage, Springer Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 1978, Seiten 189 bis 238) Analogrechenschaltungen. Die Ausgangssignale werden über die Ausgänge 2 der Transformationsglieder T₁, T₂, T₃ abgegriffen und der Mustererkennungsmatrix M zugeführt. Fig. 1 shows a measuring arrangement which contains several, for example three sensor elements S ₁, S ₂, S ₃. For each sensor element S ₁, S ₂, S ₃ a transformation element T ₁, T ₂, T ₃ is provided. Each transformation element T ₁, T ₂, T ₃ has an input 1 and an output 2 . Furthermore, the arrangement contains a pattern recognition matrix M as is known, for example, from DE 35 19 410 A1 mentioned at the beginning. The signals from the sensor elements S ₁, S ₂, S ₃ are fed via the inputs 1 to the associated transformation elements T ₁, T ₂, T ₃. A transformation element is provided in the transformation element, which transforms the signals into output signals according to the algorithm according to the invention. The transformation elements are, for example, known analog computing circuits (see, for example, BU Tietze CH Schenk semiconductor circuit technology, 4th edition, Springer Verlag Berlin / Heidelberg / New York, 1978, pages 189 to 238). The output signals are tapped via the outputs 2 of the transformation elements T ₁, T ₂, T ₃ and fed to the pattern recognition matrix M.

Fig. 2 stellt eine Messung der Konzentration von CH₄ und CO dar, die unter Verwendung von Sensorelementen mit nichtlinearen Kennlinien gewonnen wurde. Die Sensorsignale wurden direkt vom Sensorelement in die Mustererkennungsmatrix eingeführt. Es wurde kein Transformationsglied in der Auswertung verwendet. Fig. 2 zeigt deutlich, daß die Meßergebnisse der CO-Konzentration (dargestellt als schwarze Punkte) sehr stark von der CH₄-Konzentration abhängig ist. Fig. 2 zeigt ferner, daß die als schwarze Punkte dargestellten Meßwerte für vorgegebene CO-Konzentrationen nicht mit den wirklichen CO-Konzentrationen, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt sind, übereinstimmen. Fig. 2 shows a measurement of the concentration of CH₄ and CO, which was obtained using sensor elements with non-linear characteristics. The sensor signals were introduced directly from the sensor element into the pattern recognition matrix. No transformation element was used in the evaluation. Fig. 2 clearly shows that the measurement results of the CO concentration (shown as black dots) is very dependent on the CH₄ concentration. FIG. 2 also shows that the measured values shown as black dots for given CO concentrations do not match the real CO concentrations, which are shown by a dashed line.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 3 die Auswertung derselben Messung, wobei die Sensorsignale in erfindungsgemäßen Transformationsgliedern aufbereitet wurden. Die Sensorsignale aus dieser Messung wurden Transformationsgliedern zugeführt. In den Transformationsgliedern wurden die Signale gemäß dem Algorithmus S′ = S ^1/n transformiert. Die Ausgangssignale der Transformationsglieder wurden der Mustererkennungsmatrix zugeführt. Dargestellt ist die Aussage der Mustererkennungsmatrix. Die als schwarze Punkte dargestellten Meßergebnisse für die CO-Konzentration hängen kaum von der CH₄-Konzentration ab. Ferner stimmen die als schwarze Punkte dargestellten Meßergebnisse für die CO-Konzentration mit den vorgegebenen Werten für die CO-Konzentration überein. Fig. 3 zeigt, daß die Signalverarbeitung mit dem erfindungsgemäßen Transformationsglied und einer Mustererkennungsmatrix zu konsistenten Ergebnissen führt. Das erfindungsgemäße Transformationsglied bereitet die Signale von Sensorelementen mit nichtlinearen Kennlinien so auf, daß sie von der Mustererkennungsmatrix sinnvoll verarbeitet werden können.In contrast, FIG. 3 shows the evaluation of the same measurement, the sensor signals being processed in transformation elements according to the invention. The sensor signals from this measurement were fed to transformation elements. In the transformation elements, the signals were transformed according to the algorithm S ′ = S ^{1 / n} . The output signals of the transformation elements were fed to the pattern recognition matrix. The statement of the pattern recognition matrix is shown. The measurement results for the CO concentration shown as black dots hardly depend on the CH₄ concentration. Furthermore, the measurement results for the CO concentration shown as black dots agree with the specified values for the CO concentration. Fig. 3 shows that the signal processing by the inventive transformation member, and a pattern recognition matrix leads to consistent results. The transformation element according to the invention processes the signals from sensor elements with non-linear characteristic curves in such a way that they can be meaningfully processed by the pattern recognition matrix.

Claims

1. Transformation element for an arrangement for measuring the concentrations of the components in gas and substance mixtures using sensor elements with non-linear characteristics, in particular the form: with S: signal level
C _i : concentration of component i
a _i : coefficient dependent on the component
m _i : exponent dependent on the component
n: exponent dependent on the sensor element
p: number of components with

a) an input ( 1 ) via which the signals of a sensor element are supplied,
b) a transformation element that generates the signals according to the algorithm with S ′: output signal level
-1 less than or equal to k ₁, k ₂, k ₃, k ₄ less than or equal to 1 transformed into output signals,
c) an output ( 2 ) at which the output signals are tapped.

2. transformation element according to claim 1, characterized in that the transformation element is a Analog circuit is.

3. Transformation element according to one of claims 1 or 2, characterized in that in the algorithm k ₁ = 0 applies.

4. transformation element according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the algorithm k ₂ = 0 applies.

5. Transformation element according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the algorithm k ₃ = 0 applies.

6. Transformation element according to one of claims 1 to 5, characterized in that k ₄ = 0 applies in the algorithm.