KR102581927B1 - 측정 디바이스 - Google Patents

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플로리안 키르사머
벤자민 슈미트
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

측정 디바이스는, 검출된 측정 변수(2)에 따라 센서 신호(3)를 생성하는 센서(1), 측정 디바이스의 충격들(8)을 검출하고 보상 신호(10)를 생성하는 보상 설비(9), 및 센서 신호(3, 12)와 보상 신호(10) 사이의 차(13)로부터의 측정 결과(15)를 생성하는 평가 설비(14)를 포함한다. 보상 설비(9)는 가속도 센서(17) 및 적용가능한 경우 자이로스코프(27)를 갖는 다축 MEMS 관성 측정 유닛(16)을 포함하고, 상기 측정 유닛이 축들의 수에 대응하는 복수의 움직임 신호들(18)을 생성한다. 더욱이 보상 설비(9)는 센서 신호(3, 12)의 원치 않는 신호 부분을 모델링하기 위한 컴퓨테이셔널 모델(21)을 갖는 컴퓨터(20)를 포함하고, 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들(8)의 결과로서, 움직임 신호들(18)로부터, 그리고 상기 원치 않는 신호 부분을 보상 신호(10)로서 출력하기 위해 발생한다. 컴퓨테이셔널 모델(21)은 측정된 변수들(2)의 부재 시 센서 신호(3, 12)와 보상 신호(10) 사이의 차(13)가 0이거나 또는 사전 결정된 임계치 미만이 되도록 훈련된다.

Description

측정 디바이스{Measuring device}
본 발명은
- 측정되는 요소의 검출에 따라 센서(sensor) 신호를 생성하는 센서를 갖고,
- 측정 디바이스의 충격들을 검출하고 보상 신호를 생성하는 보상 설비를 갖고, 그리고
- 센서 신호와 보상 신호 사이의 차로부터의 측정 결과를 생성하는 평가 설비를 갖는 충격에 민감한(shock-sensitive) 측정 디바이스에 관한 것이다.
그러한 측정 디바이스는 DE 27 02 978 A1로부터 공지되어 있다. 공지된 측정 디바이스는, 측정 가스를 통과하는 변조된 적외선 빔(beam)을 검출하기 위해, 가스(gas)로 채워져 있고 라인(line)을 통해 내부에 배열된 유량 센서에 연결된 검출기 챔버(chamber)들을 갖는 광기압 검출기 시스템(optopneumatic detector system)을 갖는 NDIR 가스 분석기이다. 충격들 및/또는 가속들 동안 가스 관성의 결과로 발생하는 가스-충전 검출기 시스템의 공압 간섭 효과(pneumatic interference effect)들로 인해 유량 센서에 의해 생성된 측정 신호의 간섭들을 보상하기 위해, 제2 유량 센서를 갖고 검출기 시스템과 구조적으로 매우 동일하게 될 가스-충전 보상 시스템이 이러한 검출기 시스템에 가깝게 인접하여 배열된다. 보상 시스템은 빔들이 통과하지 못하는 방식으로 폐쇄되거나, 또는 적외선 범위에서 투명한 가스를 포함할 수 있는데, 다시 말해서 임의의 적외선을 흡수하지 않는다. 검출기 시스템의 제1 유량 센서 및 보상 시스템의 제2 유량 센서의 신호들은 상이하게 스위치(switch)된다.
검출기 시스템 및 보상 시스템이 서로 강제적으로 이격되어 있고, 발진(oscillation)들 또는 진동(vibration)들의 경우 회전 운동들이 발생하는 병진 운동들과 더불어 또한 가능하기 때문에, 검출기 시스템 및 보상 시스템의 출력 신호들 사이에 위상 차들이 발생할 가능성이 있으며, 그 결과, 검출기 시스템의 출력 신호로부터의 보상 시스템의 출력 신호의 단순한 감산이 만족스러운 결과로 이어지지 못하고, 측정 에러가 원하는 보상에 의해 훨씬 더 증가된다. 이것은 또한, 검출기 시스템과 보상 시스템 사이의 공차-의존적인 구조적 차이들, 및 상기 검출기 시스템 및 보상 시스템의 센서들의 전기 회로망의 경우 적용된다.
더욱이, 광기압 검출기 시스템과 구조적으로 동일한 보상 시스템에 대한 구조적 지출 및 비용들이 상당하다.
드론들, 모바일 전화들, 자동차들, 항공기 및 모바일 IoT(internet of things) 디바이스들의 움직임들을 검출하기 위한 MEMS 가속도 센서들 및 자이로스코프(gyroscope)들이 일반적으로 알려져 있다. 3D 가속도 센서들은 세 직교 축들을 따라 선형 가속도들을 측정하지만 각속도들에는 반응하지 않는다. 3D 자이로스코프들은 축들에 대한 각속도들을 측정하지만 선형 가속도들에는 반응하지 않는다. 센서 융합 기술을 사용하여 두 센서들의 결과들을 결합하여 완전하고 정밀한 움직임 이미지를 획득하는 것이 가능하다.
본 발명의 목적은 디바이스에 대한 기술적 지출이 거의 없이, 진동들 및 충격들에 대한 측정 디바이스의 간섭에 대한 민감성을 감소시키는 것이다.
그 목적은 청구항 1에서 개시된 측정 디바이스에 의한 본 발명에 따라 달성되고, 상기 측정 디바이스의 유리한 개발(development)들은 종속항들에서 개시된다.
따라서, 본 발명의 청구 대상은
- 측정되는 요소의 검출에 따라 센서 신호를 생성하는 센서를 갖고,
- 측정 디바이스의 충격들을 검출하고 보상 신호를 생성하는 보상 설비를 갖고, 그리고
- 센서 신호와 보상 신호 사이의 차로부터의 측정 결과를 생성하는 평가 설비를 갖는 충격-민감 측정 디바이스이며,
충격-민감 측정 디바이스는,
- 보상 설비가 단독으로 또는 자이로스코프와 함께 가속도 센서를 갖는 다축 MEMS 관성 측정 유닛(unit)을 포함하고, 상기 측정 유닛이 축들의 수에 대응하는 복수의 움직임 신호들을 생성하고, 그리고
- 보상 설비가 센서 신호의 원치 않는 신호 부분을 모델링하기 위해 구현되고 훈련된 컴퓨테이셔널 모델(computational model)을 갖는 컴퓨터(computer)를 포함하고, 상기 원치 않는 신호 부분이 충격들의 결과로서, 움직임 신호들로부터, 그리고 상기 원치 않는 신호 부분을 보상 신호로서 출력하기 위해 발생하고, 컴퓨테이셔널 모델은 측정되는 요소들이 없을 때 센서 신호와 보상 신호 사이의 차가 0이거나 또는 사전 결정된 임계치 미만이 되도록 훈련되는 것을 특징으로 한다.
다축 MEMS 관성 측정 유닛은 측정 디바이스 내의 충격들을 검출하기 위해 충분한 대역폭 및 분해능을 제공한다. 그것의 특히 작은 사이즈(size)로 인해, 측정 유닛이 센서에 특히 가깝게 포지셔닝(position)되는 것이 가능하며, 그 결과, 충격들, 진동들 등이 발생하는 경우 측정 유닛이 센서와 거의 동일한 움직임을 수행한다. "움직임 신호들"이라는 용어는 가속도 센서의 가속도 신호들 및 자이로스코프의 각속도 신호들을 의미하는 것으로 이해되며, 여기서 가속도 신호들은 속도 신호들로의 통합에 의해 변환될 수 있다. 자이로스코프의 상이한 회전 축들 및 가속도 센서의 가속도 축들에 대해 측정 유닛에 의해 제공된 움직임 신호들은 컴퓨테이셔널 모델의 수단에 의해 센서 신호의 1차원의 원치 않는 신호 부분으로 변환되며, 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들의 결과로서 발생한다. 센서 신호의 영향에 대한 응답으로 MEMS 관성 측정 유닛에 의해 제공된 움직임 신호들의 맵핑(mapping)을 학습하기 위해, 측정 디바이스를 동작 상태에 있게 하기 이전에, 상기 측정 디바이스가, 센서가 측정되는 요소를 검출하지 않는(예컨대, 측정되는 요소로부터 차폐됨) 측정 일시정지 상태들(pauses)에서 또는 측정 동작을 제외한(outside) 발진들 또는 진동들을 사용하여 의도적으로 여기되는 것이 가능하며, 여기서 맵핑 규칙은 센서 신호와 계산된 보상 신호 사이의 차가 0이거나 또는 사전 결정된 임계치 미만이도록 적응된다.
MEMS 관성 측정 유닛에 의해 제공된 모든 움직임 신호들에 대해 학습 프로시저(procedure) 또는 훈련 프로시저가 동시에 수행될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 컴퓨테이셔널 모델이 특히, 입력 변수들로서 움직임 신호들을 획득하고, 출력 변수들로서 센서 신호의 1차원의 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들의 결과로서 발생함 ― 의 추정을 생성하는 뉴럴 네트워크(neural network)를 포함하는 것이 가능하다. 적용가능한 경우 그러한 뉴럴 네트워크는 또한, 예로서 가속도 센서의 움직임 신호에 대해 그리고 자이로스코프의 움직임 신호들에 대해, 부분 네트워크들로부터 구현될 수 있고, 상기 부분 네트워크들의 출력 변수들은 결합된다.
센서 신호의 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들의 결과로서 발생함 ― 이 각각의 움직임 신호에 대해, 다시 말해서, 가속도 센서의 각각의 가속도 축에 대해 그리고 적용가능한 경우 자이로스코프의 각각의 회전 축에 대해, 학습 또는 훈련 단계에서 별개로 학습된다는 점에서 컴퓨테이셔널 모델의 훈련을 위한 컴퓨테이셔널 지출이 감소될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 각각의 경우 움직임 신호들 각각에 대한 컴퓨테이셔널 모델이, 센서 신호의 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들의 결과로서 발생하고 관련 움직임 신호와 상관함 ― 을 모델링하기 위해 상기 디지털 필터(digital filter)의 필터 계수들의 세팅(setting)을 통해 훈련되는 디지털 필터를 포함하는 것이 가능하다. 그런 다음, 측정 동작 동안 보상 신호를 생성하기 위해 필터들의 출력 신호들이 결합되며, 가장 간단한 경우 함께 추가된다.
일반적으로, 아날로그 센서 신호는 상기 센서 신호가 디지털화되고 측정 결과를 생성하기 위해 신호 프로세싱 소프트웨어에 의해 디지털 신호 프로세싱 설비에서 프로세싱되기 이전에 신호 사전 프로세싱 설비에서 필터링(filter) 및/또는 증폭된다. 디지털 신호 프로세싱 단계들은 예컨대, 디지털 필터링 프로시저, 영점 사양(specification of the zero point) 및 스케일링(scaling)(측정 범위 사양)을 포함할 수 있다. 측정 신호는 흔히, 측정 결과가 결정되기 이전에 록-인(lock-in) 기법에 의해 억제될 수 없는 간섭들 이를테면, 메인 험(mains hum), AC 노이즈(noise), DC 드리프트(drift) 등과 같은 간섭들에 의해 중첩된다(EP 2 130 295 A1). 이 경우, 측정된 변수를 아날로그 센서 신호로 변환하는 것은, 변조 주파수를 사용하여 변조되고, 나중에 디지털화된 센서 신호는, 실제 센서 신호에 정비례하고 측정 결과를 생성하기 위해 프로세싱되는 소위 동위상(in-phase) 컴포넌트를 결정하기 위해 후속하는 저역 통과 필터링 프로시저에 의해 순서대로 변조 주파수에서 기준 신호와의 곱에 의해 위상-감지 방식으로 검출된다. 동위상 컴포넌트가 변조 및 기준 신호 사이의 위상 차에 의존하기 때문에, 변조된 디지털 센서 신호는 기준 신호와 추가적으로 곱해질 수 있고(이는 90°만큼 위상 시프트(phase shift)됨), 후속적으로 저역 통과 필터링될 수 있다. 직교 컴포넌트 및 동위상 컴포넌트로부터 비-위상 시프트된 방식으로 센서 신호를 결정하는 것이 가능하다(2-위상 록-인 기법).
본 발명에 따른 측정 디바이스의 경우, 보상 신호는 바람직하게 시분할 멀티플렉스 방식으로 또는 병렬로 센서 신호와 동일한 디지털 프로세싱 단계들을 수행하며, 여기서 두 프로세싱된 신호들 사이의 차는 단지 이후에 형성된다. 따라서, 센서 신호의 장애들 ― 상기 장애들은 충격들의 결과로서 발생함 ― 은 신호 프로세싱 프로시저에 의해 노이즈, 드리프트와 같은 다른 간섭들이 없는 센서 신호에서 보상되며, 그 결과, 보상 신호가 그러한 간섭들을 맵핑할 필요가 없고, 결과적으로 보상 신호를 계산하는 프로시저가 단순화된다.
현재의 종래 기술에 따르면, 가스 분석에 사용되는 것들과 같은 마이크로 유량 센서(micro flow sensor)들 또는 열 전도성 검출기들의 경우, 그러한 미세한 구조들만이 충분히 낮은 열 용량을 갖고 요구되는 측정 감도를 가능하게 하기 때문에 금속 나사산(metal thread)들 또는 곡류된(meandering) 금속 메쉬(metal mesh)들이 센서 엘리먼트(element)들로서 사용된다. 그러나 가열 동안 처지는(sag) 늘어뜨려지는(free-hanging) 금속 나사산들의 기계적 감도는 불리하며, 이는 한편으로 서비스가능한 수명을 저하시키고, 다른 한편으로 진동들 동안 측정 정확도를 저하시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 측정 디바이스는 특히, 유량-감지(flow-sensitive) 또는 교대 압력(alternating pressure)-감지 센서 엘리먼트(마이크로 유량 센서, 마이크로폰) 또는 열 전도성 검출기를 갖는 가스 분석기일 수 있다.
원치 않는 신호 부분들 ― 충격들의 결과로서 발생함 ― 의 본 발명에 따른 보상은 센서 신호에서 측정 디바이스의 어떤 부분이 또는 어떤 컴포넌트들이 충격들에 대해 감지하는지에 의존하지 않는다. 충격-민감 부분들 또는 컴포넌트들은 예컨대, NDIR 가스 분석기의 초퍼(chopper)일 수 있거나 또는 가스 분석기의 빔 경로에 있는 거울과 같은 광학 컴포넌트들일 수 있다. 단지 충격들이 센서 신호에 작용하는 것이 중요하다.
본 발명은 예시적 실시예들의 도움으로 그리고 도면의 도면들을 참조하여 아래에서 설명되고; 다음의 도면들에서 상세하게 설명된다:
도 1은 본 발명에 따른 측정 디바이스에 대한 제1 예를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 측정 디바이스에 대한 추가적 예를 도시하고,
도 3은 NDIR 가스 분석기 형태의 측정 디바이스를 도시하고, 그리고
도 4는 파라마그네틱(paramagnetic) 교대 압력 방법에 따라 동작하는 가스 분석기 형태의 측정 디바이스를 도시한다.
상이한 도면들에서 동일한 참조 번호들은 동일한 의미를 갖는다. 표현들은 순전히 개략적이고, 임의의 사이즈 비율들을 표현하지 않는다.
도 1은 측정된 변수(2)를 아날로그 전기 센서 신호(센서 원시 신호)(3)로 변환하는 센서(1)를 갖는 측정 디바이스를 예시한다. 센서 원시 신호(3)는 상기 센서 신호가 아날로그/디지털 변환기(5)에서 디지털화되고 신호 프로세싱 소프트웨어에 의해 디지털 신호 프로세싱 설비(6)에서 추가로 프로세싱되기 이전에 아날로그 신호 사전 프로세싱 설비(4)에서 필터링 및/또는 증폭되고, 예컨대, 필터링되거나, 스케일링되거나 또는 센서 신호(3)가 변조 주파수(f)를 사용하여 변조될 경우, 이러한 주파수에서 록-인 복조 설비(7)에 의해 복조된다.
측정된 변수(2)를 센서 신호(3)로 변환하는 것은 센서 신호(3)에서 원치 않는 신호 부분으로서 전개되는 충격들 또는 진동들(8)에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 원치 않는 신호 부분을 추정하는 보상 신호(10)는 보상 설비(9)에 의해 생성되고, 상기 보상 신호는 프로세싱된 디지털 센서 신호(12)로부터 감산기(11)에서 감산된다. 그런 다음, 측정 결과(15), 다시 말해서, 측정된 변수(2)의 측정 값은 평가 설비(14)에서 두 신호들(10, 12) 및 출력의 차(13)로부터 결정된다.
보상 설비(9)는 축들 x, y, z의 수에 대응하는 3개의 상이한 움직임 신호들(18)을 생성하는 3-축 가속도 센서(17)를 갖는 다축 MEMS 관성 측정 유닛(16)을 포함한다. MEMS 관성 측정 유닛(16)은 여기에 예시되지 않은 3-축 자이로스코프를 추가적으로 포함할 수 있고, 이 경우 총 6개의 상이한 움직임 신호들을 생성할 수 있다.
가속도 센서(17)는 축들 x, y, z를 따라 선형 가속도들을 측정하고, 그에 따라 속도 신호들(여기에 예시되지 않음)로의 통합에 의해 변환될 수 있는 가속도 신호들 형태의 움직임 신호들(18)을 생성한다. 움직임 신호들(18)은 아날로그/디지털 변환기들(19)에서 디지털화되고, 움직임 신호들(18)을 센서 신호(3)의 1차원의 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들(8)의 결과로서 발생함 ― 으로 변환하기 위해 또는 상기 원치 않는 신호 부분을 추정하기 위해 사용되는 컴퓨테이셔널 모델(21)을 갖는 컴퓨터(20)에 공급된다. 예시된 예시적 실시예의 경우, 컴퓨테이셔널 모델(21)은 3개의 움직임 신호들(18) 각각에 대해 각각의 경우에 디지털 필터(22)를 포함한다. 필터들(22)의 출력 신호들은, 가산 디바이스(23)에서, 여기서의 2-채널 신호 프로세싱 설비(6)의 추가적 채널에서 디지털화된 센서 신호(3)와 동일한 신호 프로세싱 단계들을 수행하는 컴퓨테이셔널 모델(21)의 가산 신호 또는 출력 신호(24)에 추가된다. 대안적으로, 신호 프로세싱 설비(6)는 단일-채널 방식으로 구현될 수 있고, 시분할 멀티플렉스 방식으로 두 신호들을 프로세싱할 수 있다. 보상 신호(10)는 프로세싱된 디지털 센서 신호(12)에서 원치 않는 신호 부분의 추정에 대응한다.
측정 디바이스를 동작 상태에 들어가거나 또는 측정 동작으로부터 나오도록 하기 이전에, 센서(1)가 어떠한 측정되는 요소들도 검출하지 않는 경우, 측정 디바이스가 가속도 센서(17)의 세 축들 x, y, z 각각의 방향으로 진동 테이블 상에서 차례로 진동들에 노출되는 것이 가능하다. 진동 주파수들이 조정되는 동안, 센서(1)의 전달 함수는 신호(12)를 사용하여 획득되고 MEMS 관성 측정 유닛(16)의 전달 함수는 신호(10)를 사용하여 획득되며, 이 두 번 모두 후속 신호 프로세싱 프로시저를 포함하고 세 축들 x, y, z 각각에 대해 개별적으로 이루어진다. 또한, 세 축들 중 하나, 예컨대, x 축에 대한 전달 함수들을 수신하는 동안, 관련 축, 다시 말해서 여기서 x 축의 움직임 신호(18)를 획득하는 필터(22)의 출력 신호에 대해서만 항상 가산 디바이스(23)에 공급되는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 필터(22)에 공급되는 움직임 신호들(18), 가산 디바이스(23)에 공급되는 필터들(22)의 출력 신호들, 또는 필터들(22) 자체가 개별적으로 스위치 온 및 스위치 오프되는 것이 가능하다. 따라서 필터 계수들은 신호들(12 및 10) 사이의 차(13)가 최소가 될 때까지 그리고 그러한 방식으로 적응 알고리즘들(25)의 도움으로 필터들(22) 각각에서 차례로 변경된다. 이것은 이미 언급된 바와 같이, 가속도 센서(17)의 세 축들 x, y, z에 배정된 필터들(22) 각각에 대해 차례로 발생한다.
따라서 복합 적응 알고리즘들(25)을 사용하여 두 필터들 또는 모든 세 필터들(22)에 대해 각각 동시에 필터들을 세팅하는 프로시저를 수행하는 것이 또한 가능하다. 이상적인 경우 필터들(22)을 세팅하는 프로시저가 오직 한 번만 수행되기 때문에 예컨대, 측정 디바이스를 생성할 때에만 요구되고 적용가능한 경우 오직 더 큰 시간 인터벌들로 재조정하는 것이 필요하기 때문에, 적응 알고리즘들(25)은 또한 외부 컴퓨팅 설비(26)에 저장되거나 또는 외부 컴퓨팅 설비(26)에서 실행될 수 있으며, 여기서 측정 디바이스는 그런 다음 외부 컴퓨팅 설비(26)에 연결된다.
세트 필터(22)의 출력 신호들은 측정 디바이스의 측정 동작 동안 가산 디바이스(23)에 추가되며, 여기서 컴퓨테이셔널 모델(21)은 디지털 신호 프로세싱 설비(6)의 종속 신호 프로세싱 프로시저와 함께, 프로세싱된 디지털 센서 신호(12)의 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들의 결과로서 발생함 ― 을 보상 신호(10)에 맵핑한다. 따라서 프로세싱된 디지털 센서 신호(12)의 원치 않는 신호 부분들 ― 상기 원치 않는 신호 부분들은 충격들의 결과로서 발생함 ― 은 감산기(11)에서 두 신호들(10, 12) 사이의 차를 형성함으로써 제거되거나 또는 적어도 감소된다.
도 2는 3-축 가속도 센서(17)와 더불어 다축 MEMS 관성 측정 유닛(16)이 3-축 자이로스코프(27)를 포함하고 그에 따라 축들 x, y, z의 수가 총 6개의 상이한 움직임 신호들(18)을 생성한다는 사실로 인해 초기에 도 1에 따른 예와 상이한 본 발명에 따른 측정 디바이스에 대한 추가적 예를 예시한다. 가속도 센서(17)가 축들 x, y, z를 따라 선형 가속도들을 측정하고, 그에 따라 가속도 신호들 형태의 움직임 신호들(18)을 생성하는 동안, 자이로스코프(18)는 축들 x, y, z에 대한 각속도들을 측정하고, 그에 따라 각속도 신호들 형태의 움직임 신호들(18)을 생성한다.
컴퓨터(20)의 컴퓨테이셔널 모델(21)은 뉴럴 네트워크(28)를 포함하고, 디지털화된 움직임 신호들(18)은 입력 변수들로서 상기 뉴럴 네트워크에 공급된다. 뉴럴 네트워크(28)는 센서 신호(3)의 1차원의 원치 않는 신호 부분의 추정을 출력 변수(24)로서 생성하기 위해 사용되며, 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들(8)의 결과로서 발생한다. 이러한 목적을 위해, 측정 디바이스를 동작 상태에 들어가거나 그리고/또는 측정 동작으로부터 나오도록 하기 이전에, 또는 센서(1)가 어떠한 측정되는 요소들도 검출하지 않는 측정 일시정지 상태들에서, 뉴럴 네트워크(28)는 보상 신호(10)(다시 말해서, 프로세싱된 디지털 센서 신호(12)의 원치 않는 신호 부분의 추정)와 프로세싱된 디지털 센서 신호(12)의 실제 측정된 원치 않는 신호 부분 사이의 차(13)를 감소시킨다는 의미에서 적응 알고리즘들(25)의 도움으로 훈련된다. 두 신호들(10, 12) 사이의 차(13)가 0이거나 또는 사전 결정된 임계치 미만일 경우, 프로세싱된 디지털 센서 신호(12)의 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 충격들의 결과로서 발생함 ― 은 보상 신호(10)에 가장 잘 맵핑된다.
도 3은 여기서 예컨대, 2-빔 실시예에서, NDIR 가스 분석기 형태의 측정 디바이스를 예시하며, 여기서 적외선 방사 소스(31)에 의해 생성된 적외선 빔(32)은 빔 스플리터(33)에 의해 측정 큐벳(cuvette)(34)에 의한 측정 빔 경로 및 기준 큐벳(35)에 의한 비교 빔 경로로 분할된다. 측정 가스 컴포넌트를 갖는 측정 가스(36)가 측정 큐벳(33)을 통해 유동하고, 상기 측정 가스 컴포넌트의 농도가 결정될 것이다. 기준 큐벳(35)은 기준 가스 예컨대, 질소로 채워져 있다. 빔(32)은 교대로 차단되고, 여기서 예컨대, 회전 애퍼처 휠(rotating aperture wheel) 또는 임펠러 휠(impeller wheel) 형태의, 빔 스플리터(33)와 큐벳들(34, 35) 사이에 배열된 변조 설비(37)에 의해 측정 큐벳(34) 및 기준 큐벳(35)을 통과할 수 있게 되며, 그 결과, 적외선 빔들은 교대로 두 큐벳들을 통과하거나 또는 두 큐벳들이 상기 적외선 빔들로부터 음영 처리된다. 측정 큐벳(34) 및 기준 큐벳(35)을 교대로 빠져나가는 빔은 빔 수집기(38)에 의해, 두 챔버들(40, 41)(2-층 검출기)로부터 알려진 방식으로 구현된 광기압 검출기 시스템(39)으로 안내되고, 두 챔버들은 서로 앞뒤에 놓여 있고, 방사선을 통과할 수 있게 하고, 측정될 가스 컴포넌트로 채워져 있으며, 상기 챔버들은, 내부에 배열되고 측정 신호(3)를 생성하는 센서(1) 예컨대, 마이크로 유량 센서(43)에 라인(42)을 통해 연결된다. 측정 큐벳(34) 및 기준 큐벳(35)에서의 흡수들의 차로 인해 형성된 측정 신호(3)는 변조 주파수(f)를 갖는다.
MEMS 관성 측정 유닛(16)은 광기압 검출기 시스템(39)에 매우 근접하게 배열되고, 상기 MEMS 관성 측정 유닛의 움직임 신호들(19) 및 센서 신호(3)는 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 프로세싱되고, 주파수(f)에서 복조된다. 변조 주파수(f)와 더불어 측정 신호(3)는 또한 변조 주파수의 두 배(2f)를 갖는 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 측정 큐벳(34) 및 기준 큐벳(35)에서의 흡수들의 합에 의해 제공됨 ― 을 포함하기 때문에, 이 경우 획득된 동위상 컴포넌트 및 직교 컴포넌트로부터 진단 값을 결정하기 위해 또는 그러한 진단 값의 도움으로 측정 결과를 표준화하기 위해 변조 주파수의 두 배(2f)에서 위상-감지 복조를 추가적으로 수행하는 것이 가능하다(EP 3 276 308 A1).
도 4는 파라마그네틱 교대 압력 방법에 따라 동작하는 가스 분석기 형태의 측정 디바이스를 예시적 방식으로 예시한다. 이러한 가스 분석기는 측정 가스(52)가 유동하고 상기 측정 가스의 산소 부분이 결정될 측정 챔버(51)를 갖는다. 측정 챔버(51)의 일부는 상기 전자석에 의해 생성된 자기장에서 교류 공급 전자석(53)의 폴 슈(pole shoe)들 사이에 있다. 전자석(53)은 교류를 사용하는 전류 소스 또는 전압 소스(54)에 의해 작동된다. 측정 효과를 달성하기 위해 필요한 기준 가스(55)는 동일한 두 덕트(duct)들(56, 57)에 의해 측정 챔버(51)에 공급되며, 여기서 비교적인 두 가스 유동들 중 하나는 자기장 영역에서 측정 가스(52)와 당면한다. 산소 분자들은 자기장에서 그들의 파라마그네틱 특성으로 인해 더 높은 전계 강도들의 방향으로 움직이기 때문에, 덕트(56, 57)들에서의 비교적인 가스 유동들 사이에서 주파수(f)를 갖는 교대 압력 차가 발생하고, 주파수(f)는 교류의 주파수(1/2f)의 두 배이다. 이것은 두 덕트들(56, 57) 사이의 연결 덕트(58)에서 교대 유동(alternating flow)을 야기하고, 상기 교대 유동은 마이크로 유량 센서(59) 형태로 여기서 센서(1)에 의해 검출되고, 전기 측정 신호(3)로 변환된다.
MEMS 관성 측정 유닛(16)은 마이크로 유량 센서(59)에 매우 근접하게 배열되고, 상기 MEMS 관성 측정 유닛의 움직임 신호들(19) 및 센서 신호(3)는 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 프로세싱되고, 주파수(f)에서 복조된다. 전자석(53)과 전류 센서(59) 사이의 변환 커플링(transformational coupling) 또는 종속 신호 프로세싱 프로시저에 의해 주파수(f)를 갖는 센서 신호(3)에 대해, 교류의 주파수(1/2f)를 갖는 원치 않는 신호 부분이 있을 수 있기 때문에, 이 경우 획득된 동위상 컴포넌트 및 직교 컴포넌트로부터 진단 값을 결정하기 위해 또는 그러한 진단 값의 도움으로 측정 결과를 표준화하기 위해 변조 주파수의 절반(1/2f)에서 추가적 위상-감지 복조를 수행하는 것이 가능하다(EP 3 276 308 A1).

Claims (6)

  1. 충격에 민감한(shock-sensitive) 측정 디바이스로서,
    측정되는 요소의 검출에 따라 센서 신호를 생성하는 센서(1) ― 상기 센서(1)는 유량-감지(flow-sensitive) 센서, 교대 압력(alternating pressure)-감지 센서, 또는 열 전도성 검출기임 ―,
    상기 측정 디바이스의 충격들(8)을 검출하고 보상 신호(10)를 생성하는 보상 설비(9), 및
    상기 센서 신호와 상기 보상 신호(10) 간의 차이(13)로부터의 측정 결과(15)를 생성하는 평가 설비(14)를 가지며,
    상기 보상 설비(9)는 가속도 센서(17)를 단독으로 갖거나 또는 자이로스코프(gyroscope)(27)와 함께 갖는 다축 MEMS 관성 측정 유닛(16)을 포함하고, 상기 측정 유닛은 축(axis)들의 개수에 대응하는 복수의 움직임 신호들(18)을 생성하고, 그리고
    상기 보상 설비(9)는 상기 움직임 신호들(18)로부터 상기 센서 신호의 원치 않는 신호 부분을 모델링하도록 그리고 상기 원치 않는 신호 부분을 보상 신호(10)로서 출력하도록 구현되고 훈련된 컴퓨테이셔널 모델(computational model)(21)을 갖는 컴퓨터(20)를 포함하고, 상기 원치 않는 신호 부분은 상기 충격들(8)의 결과로서 발생하고, 상기 컴퓨테이셔널 모델(21)은 측정되는 요소들이 없을 때 상기 센서 신호와 상기 보상 신호(10) 간의 차이(13)가 0이거나 또는 사전 결정된 임계치 미만이 되도록 훈련되는 것을 특징으로 하는,
    측정 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨테이셔널 모델(21)은 뉴럴 네트워크(neural network)(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    측정 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨테이셔널 모델(21)은 상기 움직임 신호들(18) 각각에 대한 디지털 필터(22)를 포함하고, 상기 디지털 필터(22)는 상기 센서 신호의 원치 않는 신호 부분 ― 상기 원치 않는 신호 부분은 상기 충격들(8)의 결과로서 발생하고 관련 움직임 신호(18)와 상관됨 ― 을 모델링하기 위해 디지털 필터의 필터 계수들의 설정을 통해 훈련되고, 그리고
    상기 컴퓨테이셔널 모델(21)은 상기 보상 신호(10)를 생성하기 위해 상기 측정 디바이스의 측정 동작 동안 디지털 필터들(22)의 출력 신호들을 더하는 가산 디바이스(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    측정 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차이(13)를 형성하기 이전에 상기 센서 신호 및 상기 보상 신호(10)가 각각 동일하게 프로세싱되는 신호 프로세싱 설비(6)를 더 포함하는,
    측정 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    변조 주파수(f)를 사용하여 상기 센서 신호의 변조를 트리거(trigger)하는 변조 설비(33)가 제공되고, 상기 신호 프로세싱 설비(6)는 상기 변조 주파수(f)에서 상기 센서 신호 및 상기 보상 신호(10)를 복조하는 록-인(lock-in) 복조 설비(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    측정 디바이스.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스는 상기 유량-감지 센서, 교대 압력-감지 센서 또는 열 전도성 검출기를 갖는 가스 분석기인 것을 특징으로 하는,
    측정 디바이스.
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