SE524708C2 - Sensoranordning - Google Patents

Description

25 30 524 708 . . n . n UPPFINNINGENS BAKGRUND Deterrninistiska ickelinjära dynamiska system har studerats utförligt endast under de sista få åren har ändå redan fumiit användning i det verkliga livet. Baskaraktäristiken för des- sa system är att de även om de syns slumpartade för en yttre beaktare har de lagar som styr deras utveckling i tiden. Lagarna är generellt sett rekursiva, vilket gör dem mycket känsliga för ursprungsförhållandena. En liten skillnad i initialtillståndet för två identiska system kan efter tillräckligt lång tid ge mycket stor skillnad mellan de två systemen. Detta är en indikator för det så kallade kaotiska systemet.

Ickelinjära system beskrivs ofta och karaktäriseras av den så kallade fasrymden. Denna är en graf med en tillståndsvariabel för systemet på en axel och dess fördröjda versioner på de andra axlarna (ofta ritas endast två axlar). Även om endast en variabel beaktas för att byg- ga denna rymd, kan en mängd information om hela systemet erhållas beroende på ickelinjäri- tet som blandar infonnation bland tillståndsvariablarna. Eftersom en del variabler ofta inte kan observeras direkt i ett system är därför för analysen av fasrymden utomordentligt viktig vid studerandet av ickelinjära system.

I fasrymden, består en atraktor av ett antal av mätpunkter som påträffas av dynamiken från en inledande transient. Denna operativa definition kan implementeras samlande tillstånd under en relativt kort tidsperiod. Denna tid beror på kretsen, men för de avsedda appli- kationerria är en tid i samma storleksordning som sensorns reaktionstid (d. v. s. för att får 10% av slutvårdet) att betraktas som tillräcklig för kartläggning av atraktorn. Vi kallar den tid som erfordras för att avbilda atraktorn för atraktorns avbildningstid (tam).

Inom fältet av kemiska och fysikaliska sensorer har sensorsignalema hitintills huvudsak- ligen använts som individuella delar i systemet. I denna uppfinningen används sensorema i en krets som uppvisar kraftigt ickelinjär dynamik och under vissa förhållanden kaotiskt upp- trädande.

Syftena med att införa ett komplext uppträdande såsom kaos i fältet av fysikaliskt och kemiskt avkännande är: 1. Att fabricera ett system som snabbare detekterar ändringar i omgivningen än som skulle vara möjligt med användning av en enda sensor eller en grupp av sensorer (så kallade elektronisk näsa vid gasavkänning) med traditionella mönsterigenkänningstekniker; 2. För att minska känsligheten för drift i sensorsystem; 3. För att förbättra signal-brus-förhållande; 10 15 20 25 30 524 708 n ~ o » a - ' _ _ _ _ , o. . . n . .a 3 4. För att undvika begränsningar i harmoniska utläsningstekniker.

Dessa idéer härstammar från känsligheten för små ändringar i ett kaotiskt system, till- sammans med ett robust kvarstående av atraktorstatistiken med brus, och kovariationen för liknande sensorer vid mätstorhetsändringar, såsom vi har använt vid tidigare arbeten.

För att uppfylla det första syftet, studeras atraktom för kretsen i realtid. Om en ändring i de fysikaliska eller kemiska omgivningama ger en ändring i formen för atraktom, kan detek- tion göras inom en eller några få tm, d. v. s. mycket snabbare än den normala svarstiden (d. v. s. för att få 90% av slutvärdet) för en enda sensor.

Antagandet för att klara det andra syftet är att systemet är stabilt även när sensorema driver, förutsatt att de driver på ett liknande sätt. När detta förhållande är uppfyllt, löser upp- finningen ett av de svåraste problemen för processövervakning i industrin, nämligen att detek- tera små ändringar i processen som kan vara svåra att separera från driftfenomen i sensor- gruppen. Sensorsystemet skulle kunna vara stabilt (d. v. s. kvalitativt ha sarmna atraktor) även när sensorema driver. Den skulle emellertid ändra sig om sensorvariationerna berodde på långsamma ändringar i omgivningama. Vi kan även inkludera i utformningen kunskapen om hur atraktom liksom processparametrarna ändrar sig med tiden.

Utvärderandet av kretsens tillstånd (d. v. s. typen av atrator) kan göras snabbt och enkelt via antingen digital eller analog beräkning. FFT är tillräcklig för att fullständigt beskri- va det harmoniska spektrumet i signalen, och detta är tillräckligt när periodiciteten i förhål- lande till bredbandssignalen skulle urskiljas. En enkel serie av filter kan även lösa det pro- blem som fortfarande kvarstår i det analoga processfáltet.

Det finns flera fördelar med denna konfiguration jämfört med att driva sensorn på det traditionella sättet och/eller använda andra typer av användning och utvärdering av ickelinjära dynamiska system: * Kretsen är mycket enkel; * Ordinära sensorer kan användas utan modifiering; * Svarstiden är mycket kort (i storleksordningen sekunder för att få ett stabilt tillstånd för kemiska sensorer, som ofta är mycket långsammare); * Utvärderingen av kretsens tillstånd är enkel och snabb; * Det dynamiska systemet "avkänner" sensorsvaret många gånger i en bredbandsmod, i många elektriska system och ger således ett bättre signal-brus-förhâllande. 10 15 20 25 30 524 708 » . . . .- . . . . .- 4 BESKRIVNING AV RITNINGARNA Dessa och andra egenskaper och fördelar med den föreliggande uppfinningen förståss bättre efter läsande av följande detaljerade beskrivning, tillsammans med de bifogade ritning- arna: Härvid är figi ett blockschema av baskonfigurationen för mätsystemet i enlighet med den föreliggande uppfinningen med en sensor och en ickelinjär dynamisk krets (NLDC).

N LDC-en är schematisk avbildad som ett tvåportsblock, en använd för anslutning till sensorn, den andra för att ansluta en belastning, vars eqvivalenta resistans är utritad som RL. En ana- log till digital konverter ger information för kretssystemet till en analysator som kan vara ana- log likaväl som digital.

Fig 2 är ett blockschema av ett flersensorsystem, bestående av en NLDC ansluten till två sensorer. Flera sensorer är likaså möjliga.

Fig 3 är ett blockschema av ett flersensorsystem, varvid varje sensor är ansluten till sin egen NLDC. Utgångama från NLDC-arna är sedan anslutna till en eller flera andra NLDC med en vikt g, och påverkar därigenom sina dynamiska beteenden.

Fig 4 visar ett flersensorsystem där sensorema påverkar endast förbindningsstyrkan g mellan tvâ N LDC-er.

Fig 5 visar en generalisering av de scheman som visats i fig 3 och 4 med ett förbindan- de nätverk av flera NLDC-er (visade som cirkulära noder) och flera sensorer inkluderade i både de förbindande vikterna och noderna.

F ig 6 visar ett exempel på synkroniseringsdiagram med den geometriska orten för egen- värdet (enda), för två Rössler-liknande kretsar kopplade som i fig 4, med två MOS-kemiska sensorer påverkande förbindningarna. Mätstorheten, d. v. s. gaskoncentrationen x förflyttar egenvärdet y längs pilen som representerar geometriska orten.

Fig 7 exempel på ett bifurkationsdiagram hänförande sig till en krets liknande den som visas i fig 1. X-axeln representerar mätstorheten (t. ex. koncentrationen för en bestämd gas i luft), under det att y-axeln visar det dynamiska mönstret för N LDC-en som ackumulerings- punkter i en Poincaré-sektion. Denna karta visar ett system på kanten av kaos vid det nedersta värdet för mätstorleken och reguljär periodiskt system över en bestämd minimidetektionsgräns (mdl). Vid vissa värden för mätstorheten (så kallade bifurgationspunkter) minskar perioden med hälften. Pi markerar det område inom vilket det finns en period med längden i.

Fig 8 Rössler-atraktorkretsen som används i ett kemiskt avkänningsexempel. 10 15 20 25 30 524 708 . . . - a - 5 F ig 9 Den kaotiska atraktorn som erhålles för 0 i vätekoncentration. Atraktom tvingades att vara kaotisk vid 0-koncentration genom variation av spänningen V. Kurvan gjordes genom utsättning av spänningarna vid X och Y i fig 8 på de två axlarna.

Fig 10 gränscyklerna (period 4) som erhållits vid 156 ppm vätekoncentration.

Fig ll Gränscyklema (period 2) erhållna vid 312 ppm vätekoncentration .

Fig 12 ström-spänningskaraktäristiken för den MOSFET-gassensor använd i experimen- ten. Kurvorna som visas är respektive 0, 156, och 312 ppm vätgas.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSEXEMPEL PÅ UPPFmNmGEN Exempel på kemisk avkänning Mätningar på en ickelinjär dynamisk krets med en diodkopplad MOSFET-gassensor har gjorts med användning av konfigurationen som visas i fig 8 (implementering av schemat i fig 1). Kretsen som används är en standardkrets för att erhålla en Rössler-atraktor under vissa parameterval, men med modifieringen med inkluderandet av en sensor i stället för en vanlig diod vid en plats. Spänningen V i figuren kan varieras och därigenom åstadkomma olika dynamiska beteenden. Beteendet ändras också när karaktäristiken för de andra komponenterna ändras (i detta är fall variationerna i MOSFET-sensorn de enda intressanta). Spänningen vid de olika punkterna X, Y, och Z kan övervakas i syfte att studera uppträdandet för kretsen.

I figurema 9 - 11 är atraktorerna visade i XY-planet för olika vätekoncentrationer.

Spänningen V justerades i syfte att finna kanten av en kaotiska traktor vid 0 i vätekoncentra- tion (se fig 9). Vätekoncentrationen ändrades sedan och karakteristika för MOSFET-sensorn ändrades därefter, resulterande i en ändring av atraktom, vilken blev icke-kaotisk för koncen- trationerna som studerades (156 och 312 ppm vätgas). Mönstret ändrades till gränscykler för period 4 respektive 2. Detta mönster erhölls och blev stabilt i storleksordningen 5 till 10 se- kunder (avbildningstid för atraktom), jämfört med flera minuter för dessa sensorer för att er- hålla ett stabilt värde (sensor-reaktionstid) vid mätande med vanliga metoder. Dessa mönster analyserades också i en FFT, där gränscyklema syntes som enstaka toppar, under det att det kaotiska tillståndet framgick som en signal med ett kontinuerligt effektspektrum över ett fre- kvensoniråde.

I syfte att förstå storleken för ändringen av de elektriska kännetecknen för MOSFET- sensom när den används i dessa mätninger, gjordes även mätning av ström-spännings-karaktä- ristiken (se fig 12). Vid drift varierar spänningen över dioden mellan -O,4 och +2,7V. Vid 10 15 20 25 30 524 708 , . . - a- . . . . .u 6 dessa spänningar fimis en mycket liten skiftning i karaktäristiken, men såsom syns i figurerna 9 - 11 är denna lilla differens mycket lätt att detektera tack vara uppfinningen. Andra änd- ringar, även dramatiska, uppträder i kretsen om drivspänningen över MOSFET-sensom ökas.

TEORETISKT RAMVERK FÖR UrLÄsNINGsTEKNIKEN ocH DESIGNANSATS De föregående exemplen på utföranden är en direkt implementering av schemat i fig 1.

Detta arrangemang kräver en utformning av både NLDC-en och de involverade sensorerna i syfte att ha mätstorheten som en parameter som framkallar bifurgation i systemdynamiken.

En ytterligare begränsning är att systemet efter bifurkationen skall vara mycket distinkt. En direkt designstrategi är den med användandet av en välkänd egenskap för systemet på kanten av kaos d. v. s. de består av en samling ostabila periodiska system. För det första låt oss väl- ja en baskrets i vilken schemat i fig 1 är på kanten av kaos med mätstorheten under den av- sedda minimiavkänningsnivån (mdl). Sedan kan tack vare förlängningsteorin parametrarna så- väl för NLDC och sensorer optimeras i syfte att ha en bifurgationskaskad när mätstorheten ökar över mdl. Fig 7 visar resultatet av sådan utfonnning med en krets mycket liknande den i fig 8. Noteras skall också att bifurkation av ickereguljära system i andra ickereguljära sy- stem kan utformas och användas i enlighet med uppfinningen.

Fig 2 inför två sensorer vars tillstånd påverkar dynamiken. Här skall utformningen be- akta exakt samma procedur om den avsedda mätstorheten endast är en. I detta fall är systemet redundant av precisionsskäl och brusundertryckning. Om mätstorheterna är två kommer kon- struktören att vilja utforma ett bifurgationsdiagram med dubbla parametrar med bifurgationer placerade på lämpliga ställen i mätplanet.

Informationsutvimiande i scheman som visas i fig 1 och 2 kan vara diskreta eller konti- nuerliga.

* Med diskreta avses att känna igen storleken av bifurkationen vi har nära till och sedan uppskatta ett område för mätstorheten. Om man t. ex. tar fallet med bifurkationsdia- grammet som visas i fig 7 innebär detta igenkämrande att veta vilket intervall längs P16, P8, P4, P2, P1, PO som mätstorheten hör till. Dessa intervall hänför sig till atraktor- gränscyklema för period 16 (eller mer) 8, 4, 2, 1, 0 (fasta punkter) respektive. Perio- den för den verkliga cykeln kan lätt igenkännas med användning av en FET-analys (var- 10 15 20 25 30 524 708 . , . » . ~ ~ . . . nu 7 för vi behöver A/D-konvertern som visas i figurerna 1, 2) eller en serie av smalbands- filter (i detta fall är analysatom en analogkrets och kräver ej A/D-omvandlaren) eller många andra direkta tekniker. Diskret är överlägsen varje annan existerande utläsnings- strategi genom att den är enkel och begränsad endast av upplösningen av måttet (d. v. s. längden för intervallen).

* Kontinuerliga organ för att uppskatta parametervärdet, d. v. s. vår mätstorlek, från be- räkning i stället för enkel igenkänning. Kontinuerlighet kräver först att den diskreta uppskattningen görs, d. v. s. identifiera intervallet; efter det att en förfining skett mät- ande avstånden mellan den verkliga atraktorn och den vid nästa bifurkation (övre gräns för intervall). Detta avstånd är korrekt definierat i enlighet med bifurkationstyp och typ av dynamik. I fallet med gränscykler är den enklaste distansen förhållandet för effekten för de framkommande subsvängningarna (t. ex. period 4) och för den fundamentala svängningen (period 1). Det finns en definierad övre gräns för förhållandet, som hänför sig till närvaron av bifurkationspunkter (se fig 7). En kalibreringskurva kan relatera det verkliga förhållandet till mätstorhetens värde i vilket som helst av intervallen. Demla approach är mycket effektivare än att försöka uppskatta standarddynamikparametrarna, såsom exempelvis generaliserade Lyapunov-exponenter och generaliserade atraktor- dimensioner, såsom föreslagits av andra författare. Skälet är att det dubbla avbildandet från atraktorrekonstruktionen till dynamiska parametrar och sedan till mätstorheter, är oexakt på grund av kalibreringssvårigheter och brus och åldringsfenomen. Tvärtom är utformning och användning av bifurkationer en konstruktionsaproach, styrbar, precis och repeterbar.

Schemana i fig 3 och 4 kan behandlas på exakt samrna sätt som schemana i fig 1 och 2. Emellertid finns en annan teoretisk approach som år en del av denna uppfinning, synkroni- seringen av dynamiken för N LDC-ama. Här är informationsutvinnandet baserat på analysen av motsvarande tillståndsvariabel ide olika kopplade NLDC-arna (säg X med Y, med Y etc.) Dessa variabler kan synkronisera, d. v. s. deras skillnad är mycket liten i jämförelse med sig- nalernas absolutvärde. Om så är fallet är det väl känt från synkroniseringsteorin av TL Carro] och LM Pecora att förbindningsviktema har specifika egenskaper. Demia teori beaktar egen- värdena för förbindningsmatrisens vikter och bevisar att om de alla befinner sig inom ett visst 10 15 20 25 30 . . . ~ u ~ zur-_: : . ._ . . ¿.¿ . , - - .n 8 område i det komplexa planet sker synkroniseringen i alla de kopplade NLDC-arna. Detta område kallat stabilitetsomráde, har också visat sig vara beroende endast av utformningen för NLDC och ej på mönstret och vikterna för förbindningama. Diagrammet bestående av kom- plexa planet, stabilitetsområdet och egenvärdena för förbindningsmatrisen kallas synkronise- ringsdiagram. Utformningen av ett utläsningsschema i enlighet med den föreliggande uppfin- ningen avser utforma ett korrekt synkroniseringsdiagram tillsammans med dess ändringar när mätstorheten ändrar sig.

Beaktande två NLDC-er, kan vi utforma synkroniseringsdiagramrnet på så sätt att om det finns synkronisering vet vi att mätstorheterna befinner sig i ett speciellt område (t. ex. under avsedd mdl), eljest befinner de sig utanför ornrâdet. Detta är förhållandevis likt använd- ningen av bifurkation i det ovan diskuterade exemplet. En förenkling i utformningen uppträ- der när schemat i fig 4 utnyttjas. Där kan mätstorhetsförändringama endast förflytta egenvär- den på planet men stabilitetsornrâdet förblir detsamma. Den enklaste approachen är att först välja N LDC-schemat i syfte att ha ett bekvämt stabilt område, som är slutet, konvext och har skarpa gränser. För att sedan optimera sensorema och förbindningarna i syfte att utforma geometriska orterna för egenvärdena när mätstorheten ändrar sig. Fig 6 visar fallet med tvâ Rössler-liknande kretsar, med två MOS-kemiska sensorer påverkande förbindningarna såsom i schemat 4. Mätstorheten, som är en gaskoncentration, förflyttar egenvärdet längs pilen som representerar den geometriska orten. I detta arrangemang innebär uppträdandet av synkroni- sering att koncentrationen är under ett värde X0.

Om det finns mer än två NLDC-er kan de alla vara synkroniserade eller endast med synkroniserade subkluster (detta kallas för ett synkroniseringsmönster). En simuleringsbaserad utformning åstadkommas i syfte att definiera många lämpliga områden för mätstorheter var och en uppträdande sammanfallande med ett bestämt synkroniseringsmönster.

Så länge som synkroniseringstekniken föredras, kan utläsningstekniken vara diskret eller kontinuerlig. Med diskret menas helt enkelt att igenkämla synkroniseringsmönstret och att associera områdena för mätstorhetema. Kontinuerligt betyder först diskret uppskattning och efter en förfining, baserad på mätande av avståndet mellan den verkliga atraktom för hela nät- verket och den vid det närbelägna (i enlighet med en lämplig avstånds- och inducerad topo- logi) synkroniseringsmönstret.

Slutligen skall noteras att detekterandet av synkronisering (näringen ändlig fördröjning är involverad) är med säkerhet den enklaste elektroniska operation att utföra: Den består . - « » v '- e o som n a o» n; nu u q m. -a ~- 5 4 w w-Ofl* ”\ :nu 9 endast av en komparator som slår på en hög utgång när ingångamas skillnad är mindre än en bestämd tröskel. Även om uppfinningen har beskrivits med hänvisning till ett föredraget utförande kan andra utföranden åstadkomma samma resultat. Variationer och modifieringar av föreliggande uppfinning är uppenbara för fackmannen, och de bifogade kraven avses täcka alla sådana modifieringar och ekvivalenter.

Claims (7)

10 15 20 524 708 10 PATENTKRAV

1. Sensoranordning, kännetecknad av att den innefattar åtminstone en sensor och en elektronisk icke-linjär dynamisk krets och en utvärderingsanordníng kopplad till den elektroniska icke-linjära dynamiska kretsen, varvid åtminstone en komponent i kretsen är påverkbar för att justera en omslagspunkt för svaret från kretsen.

2. Sensoranordning, kännetecknad av att kretsen är en själv-oscillerande krets.

3. Sensoranordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att mer än en komponent i den ickelinjära dynamiska kretsen utgörs av en sensor.

4. Sensoranordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av en förbindning av två eller flera kretsar vardera med en eller flera komponenter bestående av sensorer.

5. Sensoranordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den ickelinjära kretsen innehåller föränderliga komponenter som kan användas för att trimma in omställningspunktema för anordningen.

6. Sensoranordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att en eller flera kretsar är kaotiska.

7. Sensoranordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att sensorn är en kemisk sensor. P0115