Przedstawiona rozprawa dotyczy identyfikacji modelu
i parametrów złoŜonego układu pomiarowego, jakim jest analizator stęŜenia tlenu z elektrochemicznym czujnikiem, w celu zastosowania uzyskanych wyników do przeprowadzenia korekcji jego właściwości dynamicznych. Analizator stęŜenia tlenu z elektrochemicznym czujnikiem jest tanim i niekiedy niezastąpionym rozwiązaniem w aparaturze przenośnej, stosowanej w medycynie i sporcie. Medyczna aparatura do badań wysiłkowych w wersji przenośnej (przeznaczonej do pomiarów w warunkach naturalnych) wymaga zastosowania wysokiej klasy czujników. Czujniki te muszą być małe, lekkie, odporne na wstrząsy, o małym poborze mocy i przede wszystkim o bardzo dobrych właściwościach pomiarowych. Na rynku brak czujników spełniających w zadowalającym stopniu wszystkie wymienione właściwości. Czujniki elektrochemiczne mają zbliŜone parametry do tych załoŜeń, jednak ich złoŜone właściwości dynamiczne wymagają korygowania. W rozprawie wykazano,
Ŝe korekcja taka jest moŜliwa i skuteczna, poprzez zastosowanie szybkiego elektrochemicznego czujnika stęŜenia tlenu, który
pomimo złoŜonych właściwościach dynamicznych został
skorygowany przez zastosowanie układu mikroprocesorowego ze specjalnie zaprojektowanym algorytmem.
W rozprawie zaprezentowane zostały wyniki modelowania i parametryzacji modeli poszczególnych elementów analizatora. PosłuŜyły one następnie do zbudowania łącznego modelu analizatora stęŜenia tlenu wraz z układem korektora.
W rozprawie zrealizowano następujący zakres badań:
• zbudowano układ analizatora oraz odpowiadający mu model
do pomiaru stęŜenia tlenu w gazie wydechowym,
z zastosowaniem szybkiego elektrochemicznego czujnika stęŜenia tlenu,
• zbadano dwa sposoby modelowania elektrochemicznego
czujnika stęŜenia tlenu, pod kątem zastosowania w układzie korektora właściwości dynamicznych,
• zidentyfikowano parametry elementów modelu przez
wykonanie pomiarów w układzie rzeczywistym, następnie współczynniki zbudowanego modelu układu analizatora zoptymalizowano metodą strojonego modelu w oparciu
o rzeczywiste przebiegi zarejestrowane w zbudowanym układzie analizatora,
• opracowano metody szybkiego pobudzania obiektów
rzeczywistych sygnałami zmian ciśnienia, zmian
stęŜenia tlenu oraz zmian ciśnienia parcjalnego tlenu,
wykorzystywane do identyfikacji parametrów modeli
elementów pneumatycznych, czujników i całego analizatora,
w postaci łączącej poszczególne modele elementów
składowych,
• przeprowadzono analizę wpływu rodzaju i właściwości modeli
na błędy wyników pomiarowych,
• opracowano algorytm korekcji błędów pomiarowych
analizatora stęŜenia tlenu z wybranym czujnikiem
elektrochemicznym typu FOS65,
• zaimplementowano algorytm korekcji w postaci programu,
w zbudowanym mikroprocesorowym korektorze,
• zbudowany układ analizatora wraz korektorem przebadano pod
kątem moŜliwości zastosowania go w medycznej aparaturze do pomiarów wysiłkowych zwanej ergospirometrem, w którego prototypie analizator został zainstalowany.
W trakcie badań stwierdzono, Ŝe elementem decydującym o właściwościach dynamicznych analizatora stęŜenia tlenu jest czujnik elektrochemiczny. Wykazano, Ŝe czujniki te charakteryzuje nieliniowa dynamika. Stwierdzono ponadto, Ŝe przebieg odpowiedzi na skokowe pobudzenie szybkiego czujnika elektrochemicznego, składa się z szybkiej fazy podawanej przez producenta jako czas T10-90 i wolniejszej fazy stabilizacji. Wykazano w badaniach modelowych, Ŝe przyjmowanie tego czasu jako parametru zastępczego modelu liniowego (pierwszego rzędu) jest błędne. Nieliniowa dynamika czujnika, a w konsekwencji dynamika całego układu analizatora stęŜenia tlenu, zostały uwzględnione w strukturze sklejonego modelu czujnika i w strukturze korektora. Autorowi rozprawy nie są znane inne podobne sposoby modelowania i korekcji czujników elektrochemicznych.
Zainteresowanie zjawiskiem nieliniowej dynamiki czujnika elektrochemicznego [16] [20] wiąŜe się z rozwojem technologicznym
moŜna całkowicie wyeliminować na drodze konstrukcyjnej czujnika ani teŜ za pomocą prostych analogowych układów korekcyjnych. Stąd, konieczność korygowania jej na drodze przetwarzania sygnału. Obecnie uŜywa się do tego celu DSP [16] [41]. Jedną z metod korekcji tego zjawiska, jest metoda prezentowana w publikacji [41]. Polega ona na modyfikowaniu wyŜszych harmonicznych w widmie odpowiedzi czujnika, przy uŜyciu regresji liniowej. Innym
podobnym sposobem jest wykorzystanie krótkookresowej
transformaty FFT i filtru odtwarzającego w dziedzinie częstotliwości o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce. Sposób taki na odtwarzanie przebiegu pierwotnego, proponowany jest w publikacji [16]. Obie z przedstawionych metod prowadzą do uzyskania dobrych wyników w zakresie odtwarzana sygnałów, jednakŜe ich wadą jest duŜa ilość obliczeń związanych z obliczaniem prostej i odwrotnej transformaty FFT. W przypadku implementowania tej metody w mikrokontrolerze, wymagane jest zastosowanie układu o duŜej mocy obliczeniowej. Zastosowany w rozprawie nowy sposób korekcji, uwzględniający sklejany model czujnika, jest obliczeniowo mniej skomplikowany, przez co moŜliwy do implementowania w prostszych układach procesorowych. Pozwala to uzyskać zwarty pod względem konstrukcji układ o małym poborze energii i korzystnych właściwościach związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną.
W zaproponowanej w tej rozprawie metodzie korekcji
nieliniowej dynamiki wykorzystano algorytm odwrotny
do sparametryzowanego modelu sklejanego. Korektor ten został
zbudowany i zaimplementowany w pojedynczym układzie
mikroprocesorowym. Dzięki przyjętemu odpowiedniemu rzędowi modułów korekcyjnych kompensuje on dość dobrze dwuetapowy przebieg odpowiedzi czujnika.
Autor uwaŜa, Ŝe cel pracy postawiony w tezie został osiągnięty poniewaŜ uzyskano efektywną korekcję błędów pomiaru analizatora powodowanych właściwościami dynamicznymi i statycznym sposobem kalibracji Wynik ten został przedstawiony w tabeli 16 i graficznie na wykresach na rysunku 45 w rozdziale 7. Wyniki korekcji z zastosowaniem korektora uwzględniającego model sklejany czujnika zostały odniesione do korektorów porównawczych uwzględniających modele czujnika w postaci: operacji o charakterze inercyjnym pierwszego rzędu z jedną stałą czasową podaną przez producenta i operacji o tym samym rzędzie co w przypadku korektora sklejanego (bez operacji sklejania).
Przedstawiony w rozprawie sposób modelowania i nowa konstrukcja korektora moŜe znaleźć zastosowanie w innych układach
z czujnikami o podobnych właściwościach dynamicznych,
np. z membraną jonoselektywną. Autor przypuszcza,
Ŝe zaprezentowany w rozprawie układ analizatora z czujnikiem
elektrochemicznym, innym niŜ czujnik stęŜenia tlenu, wraz z nowym sposobem korekcji właściwości dynamicznych, moŜe równieŜ znaleźć zastosowanie w aparaturze medycznej przeznaczonej do pomiarów stęŜenia innych gazów takiej jak np.:
• analizatory tlenku węgla (CO) w wydechu, stosowane głównie
do badań osób palących, np. w kampaniach uświadamiających kobiety cięŜarne, lub do szybkiego badania ofiar poŜarów (zaczadzenie) [55] [56],
• analizatory par alkoholu „alkomaty” stosowane przez policję i w zakładach pracy,
• analizatory wodoru (H2) „gastrolizery”, stosowane w badaniach klinicznych w chorobach układu pokarmowego [54],
• analizatory tlenku azotu (NO) w diagnostyce stanów zapalnych
[57].
Istnieją takŜe inne dziedziny zastosowań czujników stęŜeń gazów niŜ medyczne np. przemysł, ochrona środowiska lub rolnictwo.
Osobnym zagadnieniem związanym z przedmiotem rozprawy jest wpływ starzenia się elektrochemicznych czujników stęŜeń gazów (w tym czujników stęŜenia tlenu) na ich właściwości dynamiczne.
W szczególności dotyczą one:
• wpływu procesu starzenia się czujnika na sposób zmian jego dynamiki i moŜliwości korekcji tego wpływu na drodze dynamicznej kalibracji np. przez kalibrację skokiem stęŜenia gazu kalibracyjnego i adaptacji współczynników korektora,
• moŜliwości przewidywania stanu zuŜycia czujnika
a w konsekwencji oceny pozostałego czasu eksploatacji.
Analiza tych zagadnień moŜe być przydatna w medycznych zastosowaniach tego typu czujników.