DE102010030869A1

DE102010030869A1 - Verfahren zur Bewertung eines Messsignals eines kapazitiven Grenzschalters

Info

Publication number: DE102010030869A1
Application number: DE102010030869A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heirich; Markus Tahedl; Francesco Bernd; Uwe Maucher
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bewertung des Messsignals eines Kapazitiven Grenzschalters gezeigt, bei dem die Messungen erst in der zweiten Hälfte des Messzyklus beginnen und dann in immer kürzer werdenden Abständen erfolgen. Hierbei wird aus den Messwerten 8 mit Hilfe einer ersten Gewichtstabelle ein gewichteter Mittelwert 10 gebildet, die Abweichungen der Messwerte vom Mittelwert 10 mit einer zweiten Gewichtstabelle modifiziert und der Maximalwert 11 der ermittelten Abweichungen bestimmt, anhand dessen die Bewertung des Messsignals erfolgt. Durch die Reduzierung der Anzahl der Messwerte können der Speicherplatzbedarf und auch der Rechenaufwand gegenüber einer äquidistanten Messung über den gesamten Messzyklus erheblich gesenkt werden. Außerdem wird die Abtastzeit reduziert. Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die besonders kritischen periodischen Störungen sicher erkannt werden können. Die nicht-äquidistante Messung erleichtert die Erkennung taktsynchroner Störungen mit unterschiedlichen Frequenzen. Bei geeigneter Wahl der Messzeitpunkte und der beiden Gewichtstabellen erhält man ein schnell berechenbares Kriterium für die Qualität der Messung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung des Messsignals eines kapazitiven Grenzschalters entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Kapazitive Sensoren sind wegen ihres einfachen Aufbaus weit verbreitet. Im Gegensatz zu optoelektronischen oder auch induktiven Sensoren benötigen sie keine speziellen Messwertaufnehmer wie Fotodioden oder auch Spulen. Allerdings können die Sensorelektroden durch sämtliche elektromagnetischen Felder in der Umgebung beeinflusst werden. Das Problem verschärft sich, wenn kleine Kapazitäten bzw. geringe Änderungen der Dielektrizitätskonstanten zu detektieren sind.
Aus diesem Grund hat sich die „Switched Capacitor Technik” weitgehend durchgesetzt. Hier wird die zu messende Kapazität niederohmig mit einem hochfrequenten Signal beaufschlagt und über den Verschiebungsstrom ihre Recktanz gemessen.
Ein solcher kapazitiver Sensor mit der Bezeichnung KI5082 wird von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Die EP0922962A1 beschreibt ein Verfahren zur zeitdiskreten Messung einer Recktanz. Um Störungen im Bereich der Abtastfrequenz abzumildern, wird die Abtastfrequenz variiert. So hat eine Störung, die sich nicht über die gesamte Bandbreite der Abtastfrequenz ausdehnt, einen geringeren Einfluss auf das Messergebnis.
In der DE10207424A1 wird die Messgröße als Funktion von mehr als einer Messfrequenz gemessen. Dazu wird ein spektral breiter Messimpuls in die kapazitive Sensoranordnung eingekoppelt um das Messsignal bei verschiedenen Frequenzen auszuwerten.
Darüber hinaus werden Störsignale durch relativ aufwändige Referenzmessungen ermittelt und im Laufe des Verfahrensablaufs aus dem Messsignal herausgerechnet.
In der auf die Anmelderin zurückgehenden DE102007041646A1 wird das Sendesignal durch ein diskretes Spektrum gespreizt, das Ergebnis einer Spektralanalyse unterzogen und bei Erkennen eines Störsignals das Spreizspektrum dahingehend modifiziert, dass ein größerer Abstand zur Störfrequenz erreicht wird. Dafür wird eine zuverlässige Störerkennung benötigt.
Der Nachteil des Standes der Technik wird darin gesehen, dass bisher kein einfach zu handhabendes Entscheidungskriterium zur Erkennung eines Störsignals bzw. über die Qualität und damit auch die Vertrauenswürdigkeit des Sensorsignals angegeben wurde. Anhand einer solchen Information kann entschieden werden, inwieweit ein vertrauenswürdiges Messergebnis vorliegt, d. h. ob der Messkanal gewechselt werden muss, ein aufwändigeres Mess- und Auswerteverfahren erforderlich ist, oder ob die Messung so zuverlässig ist, dass ein schnelleres und energiesparendes Auswerteverfahren zum Einsatz kommen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein Qualitätsmerkmal für das Sensorsignal anzugeben, auf dessen Grundlage entschieden werden kann, ob eine Störung vorliegt.
Diese Information über die Qualität des Sensorsignals kann an eine übergeordnete Steuereinheit gemeldet, einem Bediener angezeigt, oder auch als Bewertungskriterium für die Anpassung des geräteinternen Mess- und Auswerteverfahrens genutzt werden.
Weiterhin sollen periodische Störungen schneller und effizienter erkannt und der Stromverbrauch des Mikrocontrollers für die Berechnungen reduziert werden.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, das Messsignal schwerpunktmäßig gegen Ende des Einschwingvorganges, d. h. im letzten Drittel des Messzyklus abzutasten. Deshalb werden die Messpunkte gegen Ende des Messzyklus immer häufiger gesetzt. Somit wird im laufe des Messzyklus die Abtastfrequenz stetig erhöht.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 Blockdiagramm des Empfängers
2 Einschwingkurve mit periodischer Störung und dem Abtastmuster
3 Blockdiagramm des Auswertealgorithmus
4 Tabelle 1 (Zeitlich nicht äquidistante Abtastzeiten)
Tabelle 2 (Gewichtstabelle 1 zur Mittelwertbildung)
Tabelle 3 (Gewichtstabelle 2 zur Störschwellenberechnung)
Wie das Blockdiagramm in 1 zeigt, wird ein von einem Generator erzeugtes Taktsignal 1 mit einer Frequenz von ca. 2 MHz von einem Modulator 2 periodisch mit einem Phasensprung umgeschaltet und über die Messkapazität 3 dem Empfänger 5 zugeführt. Dabei kann ein aus der Umgebung kommendes Störsignal 4 eingekoppelt werden.
Im Empfänger 5 wird das Signal phasenempfindlich gleichgerichtet (Lock-in) und über ein Tiefpassfilter 6 dem A/D-Wandler 7 zugeführt.
Um dem Einschwingverhalten des Tiefpassfilters 6 Rechnung zu tragen, beginnt wie in 2 dargestellt, die Messwertaufnahme erst im letzten Drittel des Halbzyklus. Da die späteren Messungen näher am eingeschwungenen Zustand liegen, vgl. 2, erfolgt die Messwertaufnahme in immer kürzer werdenden Zeitabständen. Nach der Digitalisierung stehen die Messwerte 8 als nicht-äquidistante Zeitreihe zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Nun werden die Messwerte 8 einer Wichtung 9 unterzogen und der gewichtete Mittelwert 10 gebildet. Danach werden die Abweichungen der Messwerte 8 vom gewichteten Mittelwert 10 berechnet.
Die betragsmäßig größte Abweichung vom gewichteten Mittelwert 10 wird im Folgenden als Qualitätswert 11 bezeichnet. Er gibt den größten zu erwartenden Fehler an und dient somit zur Bewertung der Messung bzw. der Störung.
Die 2 zeigt, wie bereits oben erwähnt, den Einschwingvorgang einer von einem periodischen Störsignal überlagerten Messung. Die senkrecht zur Zeitachse stehenden Linien zeigen die erst im letzten Drittel der Messzeit beginnenden und dann in immer kürzer werdenden Abständen erfolgende Messungen. Die Ordinate repräsentiert die Messwerte nach der Digitalisierung. Der Mittelwert im eingeschwungenen Zustand ist mit M bezeichnet
Eine detaillierte Beschreibung des Auswertealgorithmus wird in der 3 gezeigt. Nach der in der Tabelle 1 in 4 festgelegten zeitlich nicht äquidistanten Messwertaufnahme 30 und der Prüfung auf Vollständigkeit 31 werden die Messwerte entsprechend der Tabelle 2 in 4 gewichtet 32. Der gewichtete Mittelwert 33 wird einerseits mit dem eingestellten Schaltpunkt 37 verglichen und anderseits zur Berechnung der betragsmäßig größten Abweichung der Messwerte 8 verwendet 34. Die Beträge werden entsprechend der in der 4 gezeigten Tabelle 3 gewichtet 35. Der Maximalwert der gewichteten Abweichungen 36 entspricht dem Qualitätswert 11. Der Qualitätswert 36 wird mit dem Betrag der aus dem Mittelwert 33 und dem eingestellten Schaltpunkt 37 gebildeten Differenz verglichen 39. Liegt der Qualitätswert 36 oberhalb dieser Differenz, handelt es sich um eine kritische Störung.
Durch die Reduzierung der Anzahl der Messwerte können der Speicherplatzbedarf und auch der Rechenaufwand gegenüber einer äquidistanten Messung über den gesamten Messzyklus erheblich gesenkt werden. Außerdem wird die Abtastzeit reduziert. Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht allerdings darin, dass die besonders kritischen periodischen Störungen anhand einer punktuell signifikanten Abweichung vom Mittelwert sicher erkannt werden können. Die nicht-äquidistante Messung erleichtert die Erkennung taktsynchroner Störungen mit unterschiedlichen Frequenzen.
Bei geeigneter Wahl der Messzeitpunkte und der beiden Gewichtstabellen erhält man ein schnell berechenbares Kriterium für die Qualität der Messung.
Das beschriebene Verfahren ist nicht auf kapazitive Grenzschalter beschränkt, sondern kann prinzipiell überall dort angewendet werden. Wo ein einschwingendes Signal auf Störungen überprüft werden soll.
Auch die im Ausführungsbeispiel beschriebenen Phasenumkehrschaltung im Sender 2, sowie die dort beschriebene phasenempfindliche Gleichrichtung sind zur Realisierung des Erfindungsgedankens nicht unbedingt erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Taktsignal (Rechteck)
2: Modulator
3: Messkapazität
4: Störsignal
5: Empfänger
6: Tiefpassfilter
7: A/D Wandler
8: Messwerte
9: Wichtung der Messwerte
10: Gewichteter Mittelwert
11: Qualitätswert
12: Bewertung des Messsignals
M: Mittelwert
30: Messwertaufnahme
31: Vollständigkeitsprüfung
32: Wichtung der Messwerte
33: Mittelwertberechnung
34: Abweichungen vom Mittelwert berechnen
35: Wichtung der Beträge der Abweichung vom Mittelwert
36: Qualitätswert (maximale Abweichung vom Mittelwert)
37: Eingestellten Schaltpunkt (Schaltschwelle) abfragen
38: Differenz zwischen Schaltpunkt und Mittelwert berechnen
39: Entscheidung: Liegt der Qualitätswert über der Differenz (38)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0922962 A1 [0005]
DE 10207424 A1 [0006]
DE 102007041646 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Bewertung eines Messsignals eines Kapazitiven Grenzschalters, der eine Steuer- und Auswerteeinheit, einen ein Taktsignal 1 erzeugenden Generator mit einen Modulator 2, eine Messkapazität 3 und eine getakteten Empfängerschaltung 5 aufweist, wobei das gleichgerichtete Messsignal mit einem Tiefpassfilter 6 gefiltert und in einem A/D Wandler 7 digitalisiert wird und die Messwerte 8 als nicht-äquidistante Zeitreihe zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen, wobei die Zeitintervalle gegen Ende der Zeitreihe kürzer sind, wobei aus den Messwerten 8 mit Hilfe einer ersten Gewichtstabelle ein gewichteter Mittelwert 10 gebildet wird, wobei die Abweichungen der Messwerte 8 vom Mittelwert 10 mit einer zweiten Gewichtstabelle modifiziert werden, der Maximalwert 11 der ermittelten Abweichungen bestimmt wird und eine Bewertung 12 des Messsignals anhand des Maximalwertes 11 erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messungen im letzten Drittel des Halbzyklus erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Modulator 2 das Sendesignal durch Phasenumschaltung in zwei Halbzyklen unterteilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfangssignal durch phasenempfindliche Gleichrichtung nach dem Lock-in Verfahren erzeugt wird.