DE3047782A1

DE3047782A1 - Schaltungsanordnung zur korrektur der sensorausgangsgroesse

Info

Publication number: DE3047782A1
Application number: DE19803047782
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 2407 Groß Parin Matthießen
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1982-07-08
Also published as: US4499423A; GB2089993B; GB2089993A

Description

DRÄGERWERK Aktiengesellschaft Moislinger Allee 53-55, 2400 Lübeck

Schaltungsanordnung zur Korrektur der Sensorausgangsgröße

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Korrektur der Sensorausgangsgröße,mit der Empfindlichkeitsänderungen eines Sensors in ihrer Auswirkung auf das Meßergebnis durch elektrische Schaltelemente wenigstens annähernd ausgeglichen werden.

Elektro-chemische Meßsensoren, z.B. Alkoholmeßzellen, bei denen Ausgangsgrößen aufgrund von stoff-

lichen Umsetzungen erzeugt werden, zeigen in vielen Fällen den Nachteil, daß die Empfindlichkeit des Sensors in Abhängigkeit von der Konzentration des zu messenden Mediums und dessen Einwirkdauer geringer wird. Die damit bedingte Verringerung der Empfindlichkeit kann entweder durch einen nicht umkehrbaren Prozeß beispielsweise durch Oberflächenveränderungen des Sensors bedingt sein, oder sie läßt sich, abhängig von der Art des Sensors, als reversibler Ermüdungs-Vorgang auffassen, bei dem der Sensor nach einiger Zeit außerhalb der Einwirkung des zu messenden Mediums seine ursprüngliche Empfindlibhkeit wieder erlangt. In Fällen elektrolytischer Umsetzungen, welche die Nachweisempfindlichkeit des Sensors verringern, läßt sich u.U. durch Umpolen eine Regeneration der ursprünglichen Sensoreigenschaften und damit der Ausgangsempfindlichkeit erreichen.

Empfindlichkeitsveränderungen bei Sensoren, die von der Konzentration bzw. Einwirkdauer des zu messenden Mediums abhängen, ergeben, abhängig von der Vorgeschichte des Sensors, mehr oder weniger fehlerhafte Meßergebnisse, die unter Berücksichtigung der bekannten Empfindlichkeitsveränderungen korrigiert werden müssen.

Eine Schaltungsanordnung zur Korrektur der Sensorausgangsgröße ist in der deutschen Patentanmeldung P 29 29 387 vorgeschlagen worden. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung zum Erfassen des Partialdruckes von Gasen

mit Elektrodensensoren unter Benutzung von Speicherwerten des Aktivitätsverhältnisses zwischen Ausgangsaktivität der frisch kalibrierten Arbeitselektrode und der zur Meßzeit gegebenen Aktivität. Mit diosem, in bestimmten Zeitabständen, beispielsweise täglich festgestellten Aktivitätsverhältnis, wird die Meßgröße multiplikativ modifiziert, wodurch eine entsprechende Korrektur der Empfindlichkeitsänderungen möglich wird.

Das angegebene Meßverfahren erscheint relativ aufwendig, weil in festen Abständen jeweils programmgesteuerte Meßabläufe zur Bestimmung des Aktivitätsverhältnisses ausgeführt werden müssen.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, die Korrektur der Sensorausgangsgröße durch eine elektrische Schaltungsanordnung ohne meßtechnische Überprüfung des Sensors in bestimmten Abständen, aufgrund eines als Abhängigkeit von den

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betrachteten Parametergrößen bekannten Empfindlichkeitsverlaufs vorzunehmen. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist vorgesehen, daß dem Sensor ein Korrekturnets;werk nachgeschaltet ist, welches den Empfindlichkeitsverlauf in Abhängigkeit von den zu berücksichtigenden Einflußfaktoren nachbildet und aus der Sensorausgangsgröße oder einer dieser proportionalen Größe ein Korrektursignal erzeugt, welches die Sensorausgangsgröße über ein Korrektürglied auf konstante Empfindlichkeit korrigiert. Hierbei wird ein Empfindlichkeitsmodell benutzt, ä.h. ein System, dessen Ausgangsgröße eine Funktion der betrachteten Einflußfaktoren ist, und dessen Ausgangsgröße sich proportional zur Empfindlichkeit des Sensors ändert. Das Empfindlichkeitsmodell liefert die Eingangsgröße für das Korrekturglied.

Durch die Korrektur der Sensorausgangsspannung mit einer aus Empfindlichkeits- Sollwert und Istwert gewonnenen Größe läßt sich ein Meßwert mit entsprechend verringertem Fehler gewinnen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, daß das Korrekturnetzwerk eine digita-

le Schaltung zur Nachbildung des zunächst durch Messung ermittelten Empfindlichkeitsyerlaufs enthält. Analog können logarithmische Abschnitte des Empfindlichkeitsverlaufs zweckmäßig durch stromrichtungsabhängige RC-Glieder nachgebildet werden.

Zur Erzeugung des Korrektursignals kann vorteilhaft ein Differenzverstärker verwendet werden, an dessen Eingängen eine Eingangsgröße entsprechend der Empfindlichkeit des von der Meßgröße unbelasteten Sensors und eine weitere Eingangsgröße proportional zur Empfindlichkeit des Sensors angelegt wird, und bei dem der Verstärkerausgang mit dem Korrekturglied verbunden ist. Dieses Korrekturglied modifiziert dann in entsprechender Weise die Meßgröße.

Eine besondere Anwendung der Schaltungsanordnung bei einer elektrochemischen Zelle als Sensor zur Bestimmung der Alkoholkonzentration in Gasgemischen kann zweckmäßig so ausgebildet sein, daß der Empfindlichk'eitsverlauf wenigstens in Abhängigkeit von der Zeit und den dabei auftretenden Konzentrationswerten im Korrekturnetzwerk annähernd nachgebildet wird,

und daß das Korrektursignal die Verstärkung eines Meßverstärkers für die als Spannungsabfall am Last widerstand im Kreis der elektro-chemischen Zelle auftretende Eingangsgröße nachsteuert.

Unter Bezug auf eine elektro-chemische Zelle als Sensor zur Bestimmung der Alkoholkonzentration in Gasgemischen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden; es zei gen:

Fig. 1 den bekannten Empfindlichkeitsverlauf einer Alkoholmeßzelle in der Abhängigkeit von Zeit und Alkoholkonzentration,

Fig. 2 ein analoges Ersatzschaltbild als

Empfindlichkeitsmodell der Alkoholzelle ,

Fig. 3 ein durch eine digitale Schaltung

realisiertes Empfindlichkeitsmodell,

Fig. 4 eine Kombination des digitalen Empfindlichkeitsmodells der Alkoholmeßzelle in einem Korrekturnetzwerk.

Fig. 1 zeigt im oberen Teil den zeitlichen Verlauf der Alkoholkonzentration an der Alkoholmeßzelle. Zur Zeit t-, erfolgt eine sprunghafte Änderung der Alkoholkonzentration von 0 auf den Wert K₁, der bis zur Zeit tp einwirkt. Im unteren Teil von Fig. 1 ist der Empfindlichkeitsverlauf E (t,K) in Abhängigkeit von Zeit und Konzentration dargestellt. Als Antwort auf die Sprungfunktion ergeben sich zwei Exponentialäste, die durch ein Empfindlichkeitsmodell nachgebildet werden müssen.

In Fig. 2 wird dieses analog schaltungstechnisch über zwei durch Dioden D-, Dp abgetrennte Widerstände IL, Rp *ⁿ Verbindung mit einem Kondensator C in Form von RC-Gliedern verwirklicht. Eingangsgröße ist eine der Gaskonzentration an der Alkoholmeßzelle proportionale Größe K (t). Die Ausgangsgröße IL(t) wird über ein Stellglied b, welches den Einflußfaktor zum Ausdruck bringt und annähernd 0,1 beträgt, dem einen Eingang eines Differentialverstärkers D zugeführt, an dessen anderen Eingang ein der Empfindlichkeit der unbelasteten Alkoholmeßzelle proportionale Größe E liegt. Die Ausgangsgröße des Differentialverstärkers D stellt die korrigierte Meßgröße dar. Der Verlauf der als elektrisches Zusatz-

signal gebildeten Korrekturgröße entspricht dabei im wesentlichen dem in Fig. 1 im unteren Teil angegebenen Empfindlichkeitsverlauf.

In Fig. 3 ist ein Empfindlichkeitsmodell für große Zeitkonstantenä. 1 Minute in Form einer digitalen Schaltung dargestellt. K (t) bedeutet die Ausgangsgröße, die der Alkoholgaskonzentration K (t) an der Alkoholmeßzelle über E d.h. der Empfindlichkeit der mit dem Meßmedium Alkohol nicht belasteten Meßzelle

It

proportional ist* E (t) ist eine der Empfindlichkeit der Meßzelle proportionale Größe, die sich als Differenz aus einer zur Empfindlichkeit der unbelasteten Meßzelle proportionalen Größe E und dem Produkt aus dem Einflußfaktor b und der resultierenden Ausgangsspannung IL (t) zusammensetzt. Mit der angegebenen Digitalschaltung läßt sich das in Figur 2 durch stromrichtungsabhängige RC-Glieder aufgebaute analoge Ersatzschaltbild eines Empfindlichkeitsmodells für die Alkoholzelle digital realisieren. An die Stelle der analogen¹RC-Glieder treten in der Digitalschaltung Zähleinheiten, die im DA-Wandler wieder in eine analoge Größe IL (t) umgesetzt werden.

Die Ausgangsgröße E (t) des Empfindlichkeitsmodells wird dann in ein entsprechendes Korrekturnetzwerk ein-

gegeben, mit dessen Hilfe die Meßzellenausgangsgröße M (t) auf einen Wert korrigiert wird, welcher dem wahren Wert der Meßgröße entspricht.

Die Verbindung eines digitalen Empfindlichkeitsmodells nach Fig. 5 mit einem entsprechenden Korrekturnetzwerk zeigt Fig. 4. Hierbei handelt es sich um eine günstige Kombination des digitalen Empfindlichkeitsmodells mit" einem Korrekturnetzwerk. Die Ausgangsgröße K (t), die der Gaskonzentration K (t) an der Meßzelle

♦ -ΝΙΟ proportional ist, wird als M (t) · (1 + *E .,i.|*K ) ) dargestellt. Eingangsgröße der Schaltung ist°die elektrische Ausgangsgröße M (t) der Meßz,elle. Als Ausgangsgröße des Korrekturnetzwerks wird K (t), d.h. eine der Gaskonzentration an der Meßzelle proportionale und unter Berücksichtigung der Empfindlichkeitsveränderungen der Alkoholmeßzelle korrigierte elektrische Größe,z.B. eine Spannung, abgeben.

Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Korrektur der Sensorausgangsgröße, mit der Empfindlichkeitsänderungen eines Sensors in ihrer Auswirkung auf das Meßergebnis durch elektrische Schaltelemente wenigstens annähernd ausgeglichen Werden, dadurch g ei ennzeich η e t, daß dem Sensor e"in Korrekturnetzwerk nachgeschaltet ist, welcheö den Empfindlichkeitsverlauf in Abhängigkeit von den zu berücksichtigenden Einflußfaktoren nachbildet

und aus der Sensorausgangsgröße oder einer dieser proportionalen Größe ein Korrektursignal erzeugt, welches die Sensorausgangsgröße über ein Korrekturglied auf konstante Empfindlichkeit korrigiert.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturnetzwerk eine digitale Schaltung zur Nachbildung des Empfindlichkeitsverlaufs enthält.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß logarithmische Abschnitte des Empfindlichkeitsverlaufs durch stromrichtungsabhängige RC-Glieder nachgebildet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Korrektursignals ein Differenzverstärker vorgesehen ist, an dessen Eingängen eine Eingangsgröße entsprechend der Empfindlichkeit des von der Meßgröße unbelasteten Sensors und eine weitere Eingangsgröße proportional zur Empfindlichkeit des Sensors angelegt ist,

und daß der Verstärkerausgang mit dem Korrekturglied verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer elektrochemischen Zelle als Sensor zur Bestimmung der Alkoholkonzentration in Gasgemischen

der Empfindlichkeitsverlauf wenigstens in Abhängigkeit von der Zeit und den dabei auftretenden Konzentrationswerten im Korrekturnetz-

werk annähernd nachgebildet wird, und daß das Korrektursignal die Verstärkung eines Meßverstärkers für die als Spannungsabfall am Lastwiderstand im Kreis der elektro-cheoischen Zelle auftretende Eingangsgröße nachsteuert.

ORIGINAL INSPECTED