修正由气体测量装置获得的测量值的方法

专利名称：修正由气体测量装置获得的测量值的方法
技术领域：
本发明涉及用于修正通过气体测量装置获得的在气体混合物中至 少 一种气体浓度测量值的方法，其中相应测量浓度值是与至少 一个影 响测量浓度值、偏离标准参数的参数的测量参数值一起记录下来的， 并且其中以与相应测量参数值有关系的修正值的函数形式修正或校准 在所有情况下测定的测量浓度值。
背景技术：
以上所述的气体测量装置通常是用来测量和监测空气中危险或有 毒气体的浓度的，尤其是用来测量和监测环境空气中甲烷的。然而， 为了记录在环境空气中或者在煤生产领域存在于地面下面的空气中的 曱烷浓度， 一般在地下矿物坑道操作中使用像这样一些气体测量装置， 但是不局限于地下矿物坑道操作。
在这种情况下，由于对大于约5体积％的甲烷浓度来说，火花或 者热的物体会引发所谓的甲烷爆炸，因此浓度测量担当起不仅是决定 性的而且是不可缺少的角色。由于这个原因，按照可适用的法定条例， 早在大约1体积％甲烷浓度的时候就放弃在受到影响区域里的坑道。
在实施例情况中，与甲烷体积百分率有关系的测量浓度是与不同 的参数有关的，尤其是分别与气体混合物和空气混合物在测量地点处 的实际温度、湿度有关的，并且如果能应用的话，则也是与其压力有 关的。由于这个原因，在根据DE38 08 305的一般性讲授中，已经推 荐利用温度传感器来附加记录环境空气温度并且更进一步用湿度测量 电路来附加记录其湿度。由此微处理机确保根据环境空气的测量温度 和测量湿度来修正测量浓度值。没有详细说明以上所述怎样发生。

发明内容
因此，本发明提出进一步发展像这种方法的技术问题，结果是以 至少一个附加参数的函数形式对测量浓度值进行准确的修正。
通过提供修正由气体测量装置获得在气体混合物中至少 一种气体 浓度测量值的一般方法来解决这个技术问题，特征在于在按所预定的 那样使用气体测量装置之前相应的测量参数值是与已知的测量浓度值 一起记录的并且修改相应的测量参数值而且至少测量参数值是与从此 得出的修正值一起存储的。
由此在每次测量之前通过气体测量装置基本上能够进行上述修正 或者能够交替调整例行程序。为了这个目的，这就要求(例如顺便说 一下，也在过去的一次修正的情况下)，在每一情况下把在气体混合物 中要测量气体的已知而且固定的测量浓度值提供给气体测量装置。因 为分别通过各自测量参数值的后续变化和通过影响测量浓度值的参 数，例如通过温度，来测定有关参数对一些测定浓度值的影响。在从 此得出的一些修正值中反映出测量浓度值与参数的这种函数关系。如 果现在以测量值对的形式分别存储与该处有关系的 一些修正值和测量 参数值，则在后面阶段时直接检索与那时按预定的那样使用气体测量 装置期间记录的测量参数值有关联的修正值将是可以实现的。
就角在第一次按预定的那样使用气体测量装置之前曾经执行修正 例行程序或交替调整例行程序的情况而言，获得一些同样的优点。由 于在这样的程序中，使气体测量装置或者至少它的传感器或大多数传 感器置于要分析气体的确定浓度之下，因此这是正常情况。如果现在 改变影响测量浓度值的参数，例如温度，则气体传感器或者一些气体 传感器所发出的测量信号相应改变。
例如要预计到，在升高温度时气体混合物中浓度因增加将要分析 的气体(实施例情况中的甲烷)的温度和体积百分率而下降，而所以 气体传感器或一些气体传感显示"太低的"测量浓度值。在增加湿度 时以类似的方式影响到测量浓度值，测量浓度值也相对于固定起始值下降。
由此应当理解，在所有的情况下必须涉及修正值，说得更确切些，
必须把修正值校准到用于测量参数值的标准值。按照实施例，应在20 C的标准温度和20体积％的标准湿度下进行工作。
就这些标准参数测量值(20°C; 20体积％)来说，在实施例情况 中现在能够提供测量浓度值的确定界限，说得更确切些，甲烷气体浓 度的确定界限。因此，在所分析的空气混合物中(甲烷的)测量浓度 值一超过1体积％气体测量装置就会发出危险信号或者警告信号。
为了现在能够把现场实际记录的一些测量浓度值与这些标准测量 值(1体积％)作比较而根据本发明分别把这些实际测量浓度值转换 成一些测量标准浓度值，回过来参阅所存储的一些修正值并且把在所 有的情况下测定的测量浓度值调整成与相应测量参数值有关系的修正 值的函数。
为了这个目的，相对于在气体混合物中要测量气体的已知浓度连 续地或者同时修改在实施例情况中的各个测量参数值，温度和湿度。 其次，上迷一些测量参数值与所得到的一些测量浓度值有关系，并且 测量一些相应的修正值，视具体情况而定。考虑一个或更多个参数时 这些修正值把一些测量浓度值转换成一些测量标准浓度值、也就是在 实施例情况中在标准参数测量值20X:温度和20体积％温度的一些测 量浓度值。
参数的各个测量参数值和各个测量浓度值因此而具有其与此有关 系的固有修正值，如果必要的话，则通过在最接近的修正值之间的插 值来确定修正值。在所有的情况下，修正值再产生相应测量浓度值与 "修正"测量标准浓度的一些偏差，这些偏差是通过组合参数偏离相 应标准参数一个具体量而产生的。
相应修正取决于参数数量和取决于一些相应的测量参数值。如果 例如所记录的测量浓度值以正在分析的气体混合物或者空气混合物的 温度、湿度和压力的函数形式改变，则组合修正值也是这三个参数、 温度，湿度和压力的函数。与一些相应的测量参数值、也就是一些测 量温度值、 一些测量湿度值和一些测量压力值有关系的一些修正值共
同形成矩阵并且是以像这样一种矩阵形式存储的，根据具体情况而定。 如果例如设定十个不同的测量温度值、十个不同的测量湿度值和 十个不同的测量压力值并且测定了和存储了组合修正值，则 一些修正
值形成10x10x10矩阵。在这种情况下，适合于用给定的步长尺寸例 如以用于温度测量的一些1"C步幅或以用于湿度测量的一些1%步幅 改变一些测量参数。
一些修正值和从此所得到的修正矩阵分别供给各个测量参数值、 各个测量参数值对，测量参数值三元组等等，通常使确定测量浓度值 的修正值按比例倍增以便获得测量标准浓度值，测量标准浓度值准确 地提供观测界限、安全标准等等的信息。为了这个目的，把所测定的 每个测量浓度值先补加用于其修正的向量。这种参数向量反映同时记 录的一些参数值，这种参数向量例如可以是三维参数向量，三维参数 向量表示用于与相应测量浓度值有关的气体混合物或空气混合物的温 度、湿度和压力的一些测量参数值。
现在根据这个相应的参数向量通过连同从存储器正在读出的参数 向量一起存储的修正值来确定用于修正既有效又实际测量的浓度值的 唯一修正值。这个修正值现在是与所测定的测量浓度值有关系的，例 如这个修正值与后者相乘而获得所希望的测量标准浓度值。这意味着 在最简单的情况下测量标准浓度值是在伴随测量浓度值的参数向量正 给出修正值情况下的该修正值和有效测量浓度值的乘积。
为了记录一个或更多个测量参数值，通常回过来查看一个或更多 个相应的测量参数值传感器。多半是使用至少二个测量参数值传感器， 例如温度传感器和湿度传感器。关于这一点，建议把两个测量参数值 传感器与用于测量将要测量气体浓度的强制性气体传感器合并成一个 结构单元。当把所有传感器合并在一个壳体内时证明是有利的。因此 保证影响要分析气体的 一些测量浓度值的参数和从此得出的 一些测量
参数值是完全在测量地点处和上述一些测量浓度值在一起测量的。
为了提高准确度，建议各自使用已校正过的测量参数值传感器； 也就是在实施例情况中的温度传感器。温度传感器是与湿度传感器和
气体传感器组合在一起的，在实际修正例行程序之前通过校准测量相 对于可能的误差校准其本身。对于湿度传感器可以进行上述校准，而 且如果能应用的话，对于压力传感器可以进行上述校准。在例如电阻 温度计用作温度传感器的情况下，以代表温度的电阻伴随特有的 一些 传感器修正值这样的方法进行上述校准，传感器修正值校正来自电阻 随温度变化而变的线性级数的偏差。在湿度和压力传感器的情况中可 以仿效类似的处置。
在任何情况下，公用控制系统、例如微处理机、把通过测量参数 值的上述校准而获得的传感器修正值以及用于后面的上述气体浓度测 量的修正值记录下来并且写入专门连接和可互换的存储器，例如
EPROM。因此以气体测量装置特定的方式来布置这样的存储器而与 气体测量装置一起形成一个单元。通过能够互换、或者，如果能够应 用的话则能够重写的上述存储器，按时重新分别校准测量装置和气体 传感器，连测量参数值传感器包括在内，以便补偿一些可能的老化影 响是可以实现的。
最后本发明推荐通过控制系统或者微处理机以8BIT字、16BIT 字或32BIT字的形式分别处理上述要分析的气体的测量参数值、 一些 修正值、 一些测量浓度值，并且如果能够应用的话，则处理一些传感 器修正值。由此能够以特别简单的方法进行所要求和所描述的算术运 算。这就是看出一些主要优点之所在。


,
在下文将参阅在附图中用图说明的单独一种示范性实施方式更详 细说明本发明，其中
图1示意表示气体测量装置及其校准，
图2表示用于要分析的气体的浓度对温度的基本关系曲线，
图3表示用于要测量的气体的浓度为湿度函数的基本关系曲线，
和
图4表示根据本发明用于调整在所有的情况下记录的测量浓度值
的程序。
具体实施例方式
图1部分表示气体测量装置1至6，气体测量装置仅仅是示意表 示的。这种气体测量装置1至6包括一个或更多个气体传感器1、 一 个温度传感器2、 一个湿度传感器3和一个压力传感器4。所有测量参 数值传感器1至4连同一个和更多个气体传感器1合并在壳体内，或 者说得更确切些，合并到一个结构单元。由与传感器1至4连接的控 制系统5以与相应气体传感器1记录测量浓度值M的相同方法来处理 测量参数值传感器2至4记录的测量参数值P,结果是一方面产生传 感器修正值而另一方面产生用于借助气体传感器1测定的测量浓度值 M的修正值K。由此把相应的(respective)修正值K和/或所述的传 感器修正值存储在可互换存储器，例如EPROM。
详细地说，首先校准测量参数值传感器2、 3、 4。为此，以规定 的方式对测量参数值传感器2、 3、 4充电并且修正分别产生的电输出 信号，即在实施例情况中的温度传感器2的情况下，相对于每个电输 出信号把相应的传感器修正值存储在存储器6内，存储器6反映在这 个位置上实现的电阻温度传感器和有效温度之间所希望的线性相关 性。为此查阅DE 3640734 Al或者还查阅DE 3437445 Al，基本了解 4象这样的一种过程。当按照DE3201474A1中的实施例描述实施例时， 因实施例提供其自身的技术情况所以也分别知道空气湿度值的修正和 线性化。
除了有关的一些传感器修正值以,外，通过控制单元5进一步处理 一些修正值K并且存储在上述存储器6内。这些修正值K起因于在气 体混合物和空气混物中的实施例情况而不限于甲烷CH4的情况下，必 须借助于所描述的气体测量装置1至6分别记录和修正至少一种气体 的一些测量浓度值M。为此目的，气体传感器l记录的各个测量浓度 值M是与至少一个测量参数值P —起测量的。测量参数值P是影响 测量浓度值M的参数的测量值。
在实施例情况中，气体传感器1测量的要分析的气体(甲烷)在 其他气体中间的浓度分别取决于气体混合物和空气混合物的温度、水
份含量和压力，也就是说，气体传感器1记录的测量浓度值M或多或 少有改变，取决于气体混合物有什么温度、什么湿度和什么压力而换 一种说法，取决于出现多大与上述一些参数有关系的一些测量参数值 P。因此当测量参数值P，即测量温度值、测量湿度值和测量压力值偏 离与该处有关系的标准参数测量值时识别 一 些偏差而且自动记录像这
样的一些偏差。在实施例情况中，这些标准参数测量值可能属于2ox:
标准温度、20体积％标准湿度和1013毫巴标准压力。事实上在空气 混合物中借助气体测量传感器1所测量的上述气体(甲烷)浓度，逐 一地相对于(空气混合物的)上述标准参数测量值、 20体积％和 1013毫巴压力一达到或超过1体积％,所描述的气体测量装置就会向 所连接的中心单元发出警告或危险信号。
现在为了能够把实际情况和在偏离该处的一些条件下在气体传感 器1上所测量的一些有关联浓度值M与上述标准情况作比较，必须进 行修正并且为了校正而分别需要一些已经提及的修正值K。为了这个 目的，在按预定的那样使用气体测量装置1至6之前，首先把相应测 量参数值P和已经测量浓度值M —起记录下来而且修改测量参数值 P，并且与在所有情况下从其中产生的修正值K 一起逐一存储在存储 器6内。 ，
为此，把气体测量装置1至6或者至少气体传感器1和测量参数 值传感器2、 3、 4放置在校准系统内，在这种情况下校准系统是具有 确定容积的测量容器8。这种测量容器装备有温度传感器9、湿度传感 器IO和压力传感器11，由控制中心12记录并且计算测量容器8的一 些测量结果。同时，控制中心12调节阀门13,靠阀门13把限定而且 固定的已知量的测试气体和要分析的气体(甲烷CHJ分别引入到测 量容器8内。
现在以传感器9、 10、 11共同显示以前提及的标准参数测量值(20 X:、 20%湿度、1013毫巴)这样的方式调准在测量容器8内部中的一
些条件。然后根据后来引入到测量容器8中的要分析气体的确定体积 能够推导出在测量容器中有关的浓度。如果需要的话，则在测试气体 和要分析气体(甲烷)分别引入到测量容器8以后，以在气体/空气混 合物内维持以前提及的标准参数测量值的这样方式进行一些条件的修 正。
由此本发明保证在这些条件下测定的气体传感器1的初始值相当 于与该处有关系的测量标准浓度值。在以前提及的标准参数测量值， 即气体/空气混合物的20t;温度、20体积％湿度和1013毫巴压力时测 定例如在实施例情况中5、10或20体积％甲烷的这种测量标准浓度值。
此后，相对于在测量容器8中要分析气体已知并且确定的浓度(5 体积％; 10体积％和20体积％)连续地或者此外还共同地修改各个 测量参数值P，即温度、湿度或压力。如果根据图2所示的图像例如， 从20。C的标准温度开始，增加温度，则气体传感器1以其发出减小在 测量容器8内要分析气体(曱烷)浓度信号这样的方式起作用。根据 图2,由于以上所述取决于测量容器8中要分析气体的浓度，因此有 相应的曲线组，曲线组反映在对测量容器8内温度的关系曲线中气体 传感器1的初始信号，同样的关系曲线适用于在图3中规定的不同水 分含量。
相对于各个温度、湿度和压力，控制单元5不仅以这种方法记录 气体传感器1有关的电输出信号而且也另外记录相应的测量参数值， 也就是温度传感器2的温度值、湿度传感器3的湿度值和来自压力传 感器4的压力值。换言之，正如在图2和3中示意表示的那样，借助 于测量参数值传感器2、 3、 4补充记录并且存储的测量参数值P是与 气体传感器1记录最后得到的测量浓度值M是有关的。
每个测量参数值P具有与该处有关系的修正值K，尽可能通过在 邻接修正值K之间插值来计算相应的修正值K。相应的修正值K因而 取决于参数的数量(在实施例情况中的三个参数温度、湿度和压力) 而且取决于相应的测量参数值Tm、 Fn和Po，而Tm是测量温度值、 Fn是湿度测量值和Po是测量压力值。因此，应用下列公式
K=K ( Tm， Fn， Po )
通常用给定的步长尺寸m、 n和o来改变和记录以前提及的测量 参数值P，即Tm、 Fn和Po。例如，可以以1C步幅改变温度并且可 以覆盖从10t;到60t:的范围，因此，总的来说，加=51个测量值是可 利用的。对湿度Fn和压力Po的处置是类似的。因此，如图4中示意 表示的那样，能够以mxnxo矩阵的形式存储相应的一些测量参数值P (Tm、 Fn、 Po)。
事实上，在图4中，在Z轴上标绘出要分析的气体的浓度，同时 湿度占X轴而温度占Y轴。为了清楚起见，没有转载压力关系曲线。 能够观看到，实际测量值M(CH4; Tm; Fn )相当于带有参数向量V (Tm; Fn)的向量。这样的参数向量V(Tm; Fn)反映测量参数值 P ( Tm和Fn )，测量参数值P ( Tm和Fn )是和测量值M ( CH4; Tm; Fn)(在实施例中25匸和29%湿度)同一时间记录的。
这样的参数向量V (Tm; Fn)具有与其附属物有关系、用于修 正或校正有效测量值M (CH; Tm; Fn )的修正值K ( Tm; Fn )。这 样的修正值K(Tm; Fn )考虑到29体积％的湿度，这样的湿度与20 体积％的标准湿度偏离9体积％。更进一步，修正值K(Tm)考虑到 25"C温度与标准温度(20匸)的5*€偏差。偏差K (Fn)和K (Tm) 两者确定组合修正值K (Tm; Fn )，使组合修正值K ( Tm; Fn )与 有效测量值M(CH4; Tm; Fn)组舍，例如与其相加或者与其相乘， 因此能按下列公式确定所希望的测量;标准浓度值N(CBU; Tm; Fn )。
N ( CH4) =M ( CH4; Tm; Fn ) xK ( Tm; Fn )。
由控制单元5进行算术运算，控制单元5利用参数向量(Tm; Fn)从存储器6读出组合修正值K (Tm; Fn )并且以上述示意方法 使其结合到有效测量值M( CH4; Tm; Fn )，以便测定组合(associated ) 标准浓度值N (CH4)。(理想的是，)这样就不(再)分别依赖于以前 所讨论的不同参数和测量参数值P。
应该强调，相应的一些修正值K (Tm; Fn )基本上也能够考虑 到压力与温度的关系曲线，例如，在这样的情况下，例如在压力Po
时将因此而获得一些不同的修正值，视附加测量什么样温度而定。同 样，由于湿度随温度而定，因此当然能够每一秒地修正湿度。因此，
在实施例中提到的29体积％湿度可以与相对于一个具体温度的数值 K (Fn)相对应，而在另一个温度时采用一个不同的修正值K (Fn)。 为了不使描述没必要地复杂化，没有预先提及这些关系，重点多少有 些着重在基础运算原理上和重点在基础运算原理上。
权利要求
1.一种用于修正由气体测量装置(1至6)获得的在气体混合物中至少一种气体(CH4)浓度M(CH4；Tm；Fn；Po)测量值的方法，其中相应的测量浓度值M(CH4；Tm；Fn；Po)是与影响至少一个测量浓度值M(CH4；Tm；Fn；Po)的测量参数值P(Tm；Fn；Po)一起记录的，其中在每个情况下测定的测量浓度值M(CH4；Tm；Fn；Po)作为相应测量参数值P(Tm；Fn；Po)的修正值K(Tm；Fn；Po)的函数被校正，其特征在于在如所预定的那样使用气体测量装置(1至6)之前，把相应的测量参数值P(Tm；Fn；Po)与给定的测量浓度值M(CH4；Tm；Fn；Po)一起记录下来，并且改变相应的测量参数值P(Tm；Fn；Po)，至少将测量参数值P(Tm；Fn；Po)与得到的修正值K(Tm；Fn；Po)存储在一起。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于多个测量参数值P(Tm; Fn; Po)是相对于的在气体混合物中气体(CH4)的给定浓度而顺序 地或同时变化和记录下来的，并且是与得到的测量浓度值M (CH4; Tm; Fn; Po)相关联，以确定相关的修正值K (Tm; Fn; Po)。
3. 根据权利要求1或2的方法，其特征在于参数的每个测量参 数值P(Tm; Fn; Po)具有确定的修正值K (Tm; Fn; Po )，如果 需要的话，通过插值来确定。
4. 根据权利要求l-3中任一项的方法，其特征在于相应的修正 值K(Tm; Fn; Po )取决于参数的数量和相应的测量参数值P ( Tm; Fn; Po)即K (Tm; Fn; Po )。
5. 根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于与相应的测 量参数值P(Tm; Fn; Po )有关系的修正值K ( Tm; Fn; Po )組成 mxiixo矩阵。
6. 根据权利要求l-5中任一项的方法，其特征在于以给定的步 长尺寸来变化测量参数值P (Tm; Fn; Po )。
7. 根据权利要求l-6中任一项的方法，其特征在于每个测量浓 度值M(CH4; Tm; Fn; Po )带有反映同时记录的测量参数值P ( Tm; Fn; Po)的参数向量V(Tm; Fn; Po )。
8. 根据权利要求l-7中任一项的方法，其特征在于每个参数向 量V(Tm; Fn; Po )具有用于修正相关测量浓度值M ( CH4; Tm; Fn; Po)的修正值K(Tm; Fn; Po)。
9. 根据权利要求l-8中任一项的方法，其特征在于用已校正的 测量参数值传感器(2、 3、 4)来记录相应的测量参数值P (Tm; Fn; Po )。
10. 根据权利要求1-9中任一项的方法，其特征在于相应的测 量参数值P(Tm; Fn; Po )、修正值K (Tm; Fn; Po)和测量浓度 值M(CH4; Tm; Fn; Po)可以采，，例如8位字、16位字或者32 位字，并且通过控制单元(5)来处理，控制单元(5)如可行则有与 其连接的可互换存储器(6)。
全文摘要
本发明涉及修正由气体测量装置(1-6)获得的气体混合中至少一种气体(CH₄)浓度测量值M(CH₄；Tm；Fn；Po)的方法。相应的测量浓度值M(CH₄；Tm；Fn；Po)与影响至少一个测量浓度值M(CH₄；Tm；Fn；Po)的测量参数值P(Tm；Fn；Po)一起记录，每一情况下测定的测量浓度值M(CH₄；Tm；Fn；Po)作为各自的测量参数值P(Tm；Fn；Po)的修正值K(Tm；Fn；Po)的函数被进一步校正或修正。根据本发明，在使用气体测量装置(1-6)前，把相应的测量参数值P(Tm；Fn；Po)与给定的测量浓度值M(CH₄；Tm；Fn；Po)一起记录，并且变化相应的测量参数值P(Tm；Fn；Po)，而且至少将测量参数值与得到的修正值K(Tm；Fn；Po)一起存储。
文档编号G01N27/00GK101101298SQ20061014398
公开日2008年1月9日 申请日期2006年11月7日 优先权日2006年7月6日
发明者卢德格尔·科伊什恩 申请人:沃尔克工业电子有限公司