DE3940141A1

DE3940141A1 - Verfahren zur direkten, messtechnischen darstellung einer differenzmessgroesse in ihrer korrekten physikalischen einheit

Info

Publication number: DE3940141A1
Application number: DE3940141A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Lehnert; Ulrich Dipl Ing Modlinski; Rudi Dipl Phys Roess
Original assignee: Rosemount GmbH and Co
Current assignee: Emerson Process Management GmbH and Co oHG
Priority date: 1989-12-05
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1991-06-06
Also published as: GB9025511D0; GB2240173B; GB2240173A; US5065613A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Darstel lung einer Differenzmeßgröße (Ausgangswert einer Diffe renzmessung durch ein Meßgerät) in ihrer korrekten physi kalischen Einheit, wobei zwischen Eingangsgröße und Ausgangsgröße ein nichtlinearer Zusammenhang besteht.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt Meßverfahren für physikalische, chemische oder elektrische Größen.

Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren bei der Darstellung der Konzentrationsdifferenz zweier Gase. In Meßverfahren von Gasanalysatoren werden sehr oft nicht die absoluten Werte von Gaskonzentrationen, sondern Gaskonzentrationsdifferenzen meßtechnisch ermittelt.

So spielt die Feststellung von Gaskonzentrationsdifferen zen auf dem Gebiet der optoelektronischen Gasanalysen eine große Rolle.

Meßverfahren und Meßgeräte für die optoelektronische Gasanalyse sind beispielsweise in dem Prospekt der Leybold AG Nr. 43-500.01 beschrieben.

Die dort gezeigten Gasanalysatoren arbeiten auf der physi kalischen Grundlage der nichtdispersiven Fotometrie.

Nichtdispersive Gasanalysatoren sind auf der Messung einer fest gewählten Gaskomponente ausgelegt. Die Konzen tration des Meßgases wird aus der Durchlässigkeit einer Gasstrecke für das eingestrahlte Infrarotlicht bestimmt.

Das Meßprinzip eines solchen Infrarotanalysators ist beispielsweise in Abb. 2 der Seite 2 des oben genann ten Prospekts gezeigt.

Das physikalisch/mechanische Kernstück dieses Analysators bildet eine mit IR-Licht durchstrahlte und mit Meßgas durchströmte Analysenküvette mit integrierter Meß- und Vergleichsseite.

In der Meßseite findet im IR-Spektralbereich eine konzen trationsabhängige Licht-Absorption durch das Meßgas statt. Die Vergleichsseite der Küvette ist normalerweise mit Stickstoff gefüllt und gasdicht verschlossen.

Ein Licht-Chopper-(Zerhacker-)Rad, das sich mit beispielsweise 1 600 Umdrehungen pro Minute dreht, erzeugt aus Meß- und Vergleichsstrahl Licht-Pulse unterschiedlicher Intensität. Dabei entspricht ihre Intensitäts-Differenz der Konzentrations-Differenz zwischen Meß- und Vergleichsgas.

Die Licht-Pulse aus Meß- und Vergleichsseite treffen bei Infrarot-Messungen einen Detektor, der nur einen - gezielt einstellbaren - Wellenlängen-Bereich "sieht".

An den Detektor angeschlossen ist eine Signalverarbei tungseinrichtung, beziehungsweise eine Auswerteelektronik.

Wie dargestellt, kommt es bei diesen Gasanalysatoren entscheidend auf die Messung von Differenzen an. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren, wie es weiter unten beschrieben werden wird, in vorteilhafter Weise für den Einsatz in den oben beschriebenen Gasanalysatoren geeig net.

Bevor auf die Einzelheiten der Erfindung eingegangen wird, sei auf folgendes hingewiesen:
Viele Meßverfahren für die Erfassung von physikalischen, chemischen oder elektrischen Größen haben einen nicht linearen Zusammenhang von Meßgröße (Ausgangswert am Meßgerät) und Meßsignal (Eingangswert am Meßgerät).

Dieser nichtlineare Zusammenhang bei der Messung von Gaskonzentrationen nach dem im oben genannten Prospekt beschriebenen optoelektronischen Gasanalysenverfahren soll durch Fig. 1 verdeutlicht werden.

Die Abzisse 10 trägt in Fig. 1 die Einheiten für die Eingangswerte der Gaskonzentrationen. Die Ordinate 11 trägt die Einheiten für die Ausgangswerte. Die Kurve 9 ist die nichtlineare Ist-Kurve.

Bei Absorptionsfotometern, wie sie eingangs beschrieben wurden, wird dieser nichtlineare Zusammenhang durch das Lambert-Beer′sche Gesetz beschrieben.

Die gestrichelte Linie 12 bezeichnet die Soll-Linie. Die Aufgabe besteht nunmehr darin, die ausgezogene Ist-Kurve 9 in die Soll-Linie 12 hineinzukorrigieren.

Es gehört zum Stand der Technik, daß mit einer Linearisie rungsschaltung diese Korrektur durchgeführt werden kann.

Neben elektronischen Schaltungen zur Korrektur werden auch Rechner eingesetzt, die mit Hilfe installierter EDV-Programme die Korrektur vornehmen.

Weiterhin gibt es Vergleichstabellen, mit denen die Korrektur der Ist-Kurve in die Soll-Kurve durchgeführt wird.

Wie eingangs erwähnt, ist es von besonderer Wichtigkeit, daß neben der absoluten Meßgrößenbestimmung auch die Differenz zweier Absolutgrößen erfaßt werden können.

Bei der Differenzenmessung besteht nun das Problem, daß die oben beschriebenen Methoden um die Ist-Kurve in die Soll-Kurve zu korrigieren nicht anwendbar sind.

Grund hierfür ist, daß sich für einen beliebigen aber festen Differenzbereich der Meßgröße unterschiedliche Meßsignalspannen und Kurvenkrümmungen in Abhängigkeit des zugrundeliegenden Bezugspegels ergeben.

Der Stand der Technik kennt zur Differenzenbestimmung zwei Möglichkeiten:

a) die Bestimmung zweier Absolutwerte und die sich daran anschließende Differenzbildung,
b) die direkte Differenzbildung.

Beide Verfahren haben die folgenden Nachteile:
Das Verfahren nach a) erfordert eine hohe Meßwertgenauig keit, da die zu messende Differenz im Verhältnis zum Absolutwert klein ist. Hinzu tritt der Nachteil, daß zwei absolute Meßgrößen unabhängig voneinander bestimmt werden müssen. Daraus ergibt sich, daß der daraus gebildete Differenzwert die Ungenauigkeit von zwei Meß vorgängen enthält.

Bei der unter b) genannten bekannten Methode muß der zu bestimmende Differenzwert aus zwei Kennlinien gewonnen werden, da neben der Linearisierung der Differenzmessung auch der Einfluß des Grundpegels auf das Meßsignal berücksichtigt werden muß, wodurch ein Kennlinienfeld entsteht. Hierzu wird der Grundpegel mit einer eigenen Absolutmessung und zugehöriger Linearisierung ermittelt.

Dazu gehören wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen an die Differenzenmessung auch jeweils genaue Kalibrie rungen. Man benötigt meist gepaarte Prüf- und Abgleich medien, um diese hohe Genauigkeit zu erreichen.

Der eigentliche Differenzmeßbereich wird im allgemeinen unlinearisiert dargestellt, da der Grundpegeleinfluß auf die Linearität der Meßwerte nur mit großem Aufwand korrigiert werden kann.

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde:
Die geschilderten Nachteile des Standes der Technik sollen behoben werden. Es soll möglich sein, eine direkte Anzeige physikalischer Größen zu erhalten. Weiterhin sollen Voraussetzungen dafür geschaffen werden, daß eine unmit telbare Bestimmung von Absolut- und Differenzwerten möglich ist. Es soll nicht mehr notwendig sein, eine Kalibrierung für die Differenzmessung vorzunehmen. Weiterhin soll es nicht mehr notwendig sein, Prüfmedien in gepaarter Ausführung vorzusehen. Es gehört weiterhin zur Aufgabenstellung, Meßfehler zu reduzieren.

Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst daß bei einem Verfahren zur direkten Darstellung einer Differenzmeßgröße (Ausgangswert einer Differenzmes sung durch ein Meßgerät) in ihrer korrekten physikali schen Einheit, vorgeschlagen wird, daß, vorzugsweise in einem ersten Koordinatensystem, eine Kennlinie aufge nommen wird, die die Abhängigkeit der absoluten Ausgangs werte eines Meßgeräts von den absoluten Eingangswerten am Meßgerät repräsentiert (absolute Kennlinien-Funktion), daß auf dieser Kennlinie durch einen bestimmten Eingangs beziehungsweise Ausgangswert ein Bezugspegel festgelegt wird, bei dem eine Differenzmessung stattfindet und zwar vorzugsweise in einem zweiten Koordinatensystem (Differenzenkoordinaten system), dessen Bezugspunkt mit dem Bezugspegel überein stimmt.

Bei Verfahren zur Gasanalyse auf der physikalischen Grundlage der nichtdispersiven Fotometrie, insbesondere zur Anwendung bei optoelektronischen Gasanalysatoren, die insbesondere mit Hilfe eines Licht-Chopper-Rads aus Meßlichtstrahlen und Vergleichslichtstrahlen Lichtpulse unterschiedlicher Intensität erzeugen, wobei die Intensi täts-Differenz der Konzentrations-Differenz zwischen dem Meß- und dem Vergleichsgas entspricht, wird vorge schlagen, daß, vorzugsweise in einem ersten Koordinaten system, eine Kennlinie aufgenommen wird, die die Abhängig keit der absoluten Ausgangswerte von den absoluten Eingangswerten repräsentiert (absolute Kennlinien-Funk tion), daß auf dieser Kennlinie durch einen bestimmten Eingangs- beziehungsweise Ausgangswert ein Bezugspegel festgelegt wird, bei dem die Konzentrations-Differenzmes sung zwischen dem Meß- und dem Vergleichsgas stattfindet und zwar vorzugsweise in einem zweiten Koordinatensystem (Differenzenkoordinatensystem), dessen Bezugspunkt mit dem Bezugspegel übereinstimmt.

Zur Konkretisierung des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird vorgeschlagen, daß folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
erster Schritt: eine Absolutmessung durch einen Detektor, der den Ausgangswert U₁, insbesondere in Form einer Meßspannung liefert, der dem Eingangswert C₁, beispiels weise einer Gaskonzentration von C₁ = 340 ppm, entspricht,
zweiter Schritt: eine Differenzmessung durch einen Detektor, der den Ausgangswert U₂, insbesondere in Form einer Meßspannung, liefert, wobei die Gaskonzentration C₁ eine der beiden zu vergleichenden Konzentrationen ist,
dritter Schritt: eine Recheneinheit addiert U₂ zu U₁ und kommt zu der Summe U₃, wobei U₃ einem Eingangswert C₂, beispielsweise einer Gaskonzentration von C₂ = 350 ppm, entspricht,
vierter Schritt: die Recheneinheit subtrahiert vom ermittelten Meßwert C₂ (z. B. 350 ppm), die im Speicher gemerkte Konzentration C₁ (z. B. 340 ppm) und zeigt die Differenz:
Delta C = C₂ (z. B.350 ppm) minus C₁ (z. B. 340 ppm), also Delta C = z. B. 10 ppm
als korrekte Größe an.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird folgendes Auswerteverfahren vorgeschlagen.

In Fig. 2 beschreibt eine Kennlinie 4, 6 den Zusammenhang zwischen Eingangswerten (E) und Ausgangswerten (A). Diese Kennlinie stellt also die Funktion A = f(E) dar. Eingangs werte können Signalgrößen eines Sensors sein. Ausgangsgrößen können Meßgrößen eines Meßgeräts sein. Derartige Kennlinien sind normiert in der zugehörigen physikalischen Einheit.

Diese Kennlinie wird durch Absolutmessung an verschiedenen Punkten und anschließende mathematische Näherungsverfah ren, wie zum Beispiel die parabolische Interpolation nach Lagrange gewonnen.

Diese Linearisierung des Absolutwertes wird nun auch für Differenzmessungen ausgenutzt. Hierzu wird zunächst der Absolutpegel, bei dem die Differenzmessung stattfin det, gemessen. In diesen Bezugspunkt wird nun der Ursprung des Koordinatensystems der Differenzmessung transformiert. Wichtig für eine korrekte Auswertung ist es, daß hierbei die Skalierungen beider Systeme gleich sind. Meist sind Differenzmessungen empfindlicher als die Absolutmessung. Dann sollte die Absolutmessung durch Multiplikation mit dem Verstärkungsfaktor der "empfindlicheren" Differenz skalierung angepaßt werden.

Nachdem diese Anpassung erfolgt ist, gilt nun für den linearisierten Meßwert der Differenzmessung folgender Zusammenhang (siehe zur Erläuterung der nachfolgenden Gleichungen die weiter unten folgende Beschreibung der Fig. 2):

A_D = A_A-A_REF
A_A = f(E_A) = f(E_REF+E_D)
A_REF = f(E_REF)

In Fig. 2 ist ein erstes Koordinatensystem dargestellt, dessen Bezugs-Punkt die Bezugsziffer 1 trägt. Auf der Abzisse 2 dieses Koordinatensystems sind die Einheiten für die absoluten Eingangswerte (E_A ) am Meßgerät eingetragen. Die Ordinate 3 trägt die absoluten Ausgangs werte (A_A) des Meßgeräts. Die Kennlinie 4 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangswerte von den Eingangswerten.

Durch einen bestimmten Eingangswert (E_REF) beziehungsweise durch den Ausgangswert (A_REF) wird auf der Kennlinie 4 der Punkt 5 definiert, der gleichzeitig Bezugspunkt eines zweiten Koordinatensystem mit der Abzisse 7 und der Ordinate 8 ist.

Der Punkt 5 ist der Bezugspegel, bei dem die Differenzmes sung stattfindet. Das soeben beschriebene zweite Koordi natensystem dient somit als Differenzenkoordinatensystem.

Die Abzisse 7 dieses Differenzenkoordinatensystems trägt die Eingangswerte der Differenzmessung, beispielsweise ein Meßsignal eines Sensors (E_D). Die Ordinate 8 des Differenzenkoordinatensystems trägt die Ausgangswerte der Differenzmessung (Meßgröße) (A_D).

Die Kennlinie 6 ist nunmehr die Darstellung der Abhängig keit des Ausgangswerts (A_D) einer Differenzmessung vom Eingangswert (E_D) einer Differenzmessung. Die Abzisse 7 trägt die Einheiten für den Eingangswert der Differenz messung, beispielsweise die Einheiten für das Meßsignal eines Sensors. Die Ordinate 8 trägt die Einheiten für die Ausgangswerte der Differenzmessung, das heißt, für die Meßgröße.

Durch dieses "Verschieben" des Differenzkoordinatensystems auf der Kennlinie wird der Einfluß des Bezugspegels auf die Empfindlichkeit der Differenzmessung automatisch korrigiert.

Darüber hinaus erfolgt auch in der Differenzmessung eine korrekte Linearisierung und damit liegt als Ergebnis ein linearer Meßwert vor. Es muß lediglich die Absolut messung kalibriert werden. Nach Anpassung der Skalierung (dies entfällt bei gleichbleibender Verstärkung) ist die Differenzmessung automatisch kalibriert.

Vereinfacht gesprochen, wird die Differenzmessung durch Skalierungsanpassung und Addition des Bezugspegels wie eine Absolutmessung mit Hilfe der Absolutkennlinie ausge wertet, anschließend wird durch Substraktion der zum Bezugspegel gehörende Absolutmeßgröße der Differenzmeß wert gewonnen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in überraschen der Weise eine Reihe von Vorteilen erzielt und zwar ist eine direkte Anzeige der physikalischen Größen möglich, ebenso eine unmittelbare Bestimmung von Absolut- und Differenzwerten. Eine Kalibrierung der Differenzmessung ist überflüssig. Prüfmedien in gepaarter Ausführung sind nicht notwendig. Die Meßfehler werden reduziert, da nur eine Kennlinie ausgewertet werden muß.

Liste der Einzelteile

1 Bezugspunkt des ersten Koordinatensystems
2 Abzisse
3 Ordinate
4 Kennlinie
5 Punkt
6 Kennlinie
7 Abzisse
8 Ordinate
9 Ist-Kurve
10 Abzisse
11 Ordinate
12 Soll-Linie

Claims

1. Verfahren zur direkten Darstellung einer Differenz meßgröße (Ausgangswert einer Differenzmessung durch ein Meßgerät) in ihrer korrekten physikalischen Einheit, dadurch gekennzeichnet, daß, vorzugsweise in einem ersten Koordinatensystem, eine Kennlinie aufgenommen wird, die die Abhängigkeit der absoluten Ausgangswerte eines Meß geräts von den absoluten Eingangswerten am Meßgerät repräsentiert (absolute Kennlinien-Funktion), daß auf dieser Kennlinie durch einen bestimmten Eingangs beziehungsweise Ausgangswert ein Bezugspegel festgelegt wird, bei dem eine Differenzmessung stattfindet und zwar vorzugsweise in einem zweiten Koordinatensystem (Diffe renzenkoordinatensystem), dessen Bezugspunkt mit dem Bezugspegel übereinstimmt.

2. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1 zur Gasanalyse auf der physikalischen Grundlage der nichtdispersiven Fotometrie, insbesondere zur Anwendung bei optoelektro nischen Gasanalysatoren, die insbesondere mit Hilfe eines Licht-Chopper-Rads aus Meßlichtstrahlen und Vergleichs lichtstrahlen Lichtpulse unterschiedlicher Intensität erzeugen, wobei die Intensitäts-Differenz der Konzentra tions-Differenz zwischen dem Meß- und dem Vergleichsgas entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß, vorzugsweise in einem ersten Koordinatensystem, eine Kennlinie aufge nommen wird, die die Abhängigkeit der absoluten Ausgangs werte von den absoluten Eingangswerten repräsentiert (absolute Kennlinien-Funktion), daß auf dieser Kennlinie durch einen bestimmten Eingangs- beziehungsweise Ausgangs wert ein Bezugspegel festgelegt wird, bei dem die Konzen trations-Differenzmessung zwischen dem Meß- und dem Vergleichsgas stattfindet und zwar vorzugsweise in einem zweiten Koordinatensystem (Differenzenkoordinatensystem), dessen Bezugspunkt mit dem Bezugspegel übereinstimmt.

3. Verfahren zur direkten Darstellung einer Differenz meßgröße (Ausgangswert einer Differenzmessung durch ein Meßgerät) in ihrer korrekten physikalischen Einheit, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
erster Schritt: eine Absolutmessung durch einen Detektor, der den Ausgangswert U₁, insbesondere in Form einer Meßspannung liefert, der dem Eingangswert C₁, beispiels weise einer Gaskonzentration von C₁ = 340 ppm, entspricht,
zweiter Schritt: eine Differenzmessung durch einen Detektor, der den Ausgangswert U₂, insbesondere in Form einer Meßspannung, liefert,
dritter Schritt: eine Recheneinheit addiert U₂ zu U₁ und kommt zu der Summe U₃, wobei U₃ einem Eingangswert C₂, beispielsweise einer Gaskonzentration von C₂ = 350 ppm, entspricht,
vierter Schritt: die Recheneinheit subtrahiert vom ermittelten Meßwert C₂ (z. B. 350 ppm), die im Speicher gemerkte Konzentration C₁ (z. B. 340 ppm) und zeigt die Differenz:
Delta C = C₂ (z. B. 350 ppm) minus C₁ (z. B. 340 ppm), also Delta C = z. B. 10 ppm
als korrekte Größe an.