Badania modelowe właściwości metrologicznych układu do pomiaru stężenia tlenu w gazie wydechowym z zastosowaniem czujnika elektrochemicznego

Abstract

The thesis relates to research on the dynamic properties of the correction of electrochemical oxygen concentration sensor, in application for measuring oxygen concentration for measuring oxygen concentration wave in breath. At the moment this type of sensors are often used in the medical apparatus. They have multipe and nonlinear dynamics, therefore it is necessary to construct measuring apparatus with systems that correct dynamic error. The thesis shows that choice of the appropriate sensor model, which takes into account its dynamic properties, allows effective correction of the dynamic error of the sensor and analyzer, where the sensor was used. In the case of that thesis, it was built a model of oxygen concentration analyzer consists of model of pneumatic system, which absorbs gas samples and the model of sensor. In the system it was examined two ways of modeling: physical, covering all the physical phenomena in the sensor, and formal, that shows the nature of complex dynamics of the sensor. Parameters of the models were identified based on the results of the measurements recorded in the real system. Physical model of the sensor proved to be difficult to apply in the corrector of the system dynamic properties. Mathematical model of the sensor provides a simplified description of its dynamic properties. Therefore, the nonlinear dynamics of the sensor was modeled with the help of the system of spline differential equation and that model is reversible. Proposed spline model was used in the construction of the corrector of dynamic properties analyzer. Algorithm of the correction was implemented as a corrective procedure in the Matlab program and in microcontroller type SOC. Elaborated way of the correction tested effectiveness of its activity, based on measurements in a real system analyzer. Rozprawa dotyczy badań nad korekcją właściwości dynamicznych czujnika elektrochemicznego stężenia tlenu, w zastosowaniu do pomiaru fali stężenia tlenu w oddechu. Obecnie w aparaturze medycznej czujniki tego typu są często stosowane. Mają one złożoną i nieliniową dynamikę. Uzasadnia to konieczność konstruowania aparatury pomiarowej wraz układami korygującymi błąd dynamiczny. W rozprawie wykazano, że wybór odpowiedniego modelu czujnika uwzględniającego jego właściwości dynamiczne, umożliwia skuteczne korygowanie błędu dynamicznego czujnika łącznie z analizatorem, którym czujnik jest zamontowany. W ramach rozprawy zbudowany został model analizatora stężenia tlenu w oddechu złożony z modeli pneumatycznego układu pobierania próbki gazowej i modelu czujnika. W układzie tym badane były dwa sposoby modelowania: fizykalny obejmujący zjawiska fizyczne w czujniku i formalny oddający charakter złożonej dynamiki czujnika. Parametry modeli zostały zidentyfikowane w oparciu o wyniki pomiarowe zarejestrowane na rzeczywistym układzie. Model fizykalny czujnika okazał się trudny do zastosowania w korektorze właściwości dynamicznych układu. Model matematyczny czujnika, stanowi uproszczony opis jego właściwości dynamicznych. Wobec tego nieliniowa dynamika czujnika została zamodelowana za pomocą układu sklejanych równań różniczkowych, przyczym model ten jest odwracalny. Zaproponowany model sklejany posłużył do budowy układu korektora właściwości dynamicznych analizatora. Algorytm korekcji zaimplementowany został w postaci procedury korekcyjnej w programie Matlab, a także docelowo w mikrokontrolerze typu SOC. Opracowany sposób korekcji poddano badaniu skuteczności jego działania w oparciu o pomiary w rzeczywistym układzie analizatora.