DE102014105490A1

DE102014105490A1 - measuring system

Info

Publication number: DE102014105490A1
Application number: DE102014105490.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Eddylab De GmbH
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-10-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kalibrierverfahren und ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens, bei dem über eine gemeinsame Sensorelektronik sowohl ein Abstandssensor als auch ein als Kalibriernormal dienender Referenzsensor anschließbar ist, um innerhalb der Sensorelektronik eine automatisierte Zuordnung von Messsignalen des Abstandssensors mit Referenzsignalen des Referenzsensors zu ermöglichen und Kalibrierdaten erzeugen, ablegen und wieder aufrufen zu können.The invention relates to a calibration method and a measuring system for carrying out the method, in which a distance sensor and a calibration standard serving reference sensor can be connected via a common sensor electronics to allow an automated assignment of measurement signals of the distance sensor with reference signals of the reference sensor within the sensor electronics and Create, store and recall calibration data.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The present invention relates to a measuring system according to the preamble of claim 1.

Derartige Messsysteme sind in vielfältiger Weise aus der Praxis bekannt und dazu vorgesehen, die von einem Sensor erzeugten Messsignale zu verarbeiten bzw. umzuwandeln in Ausgangssignale, die in eindeutigem Bezug zu den Messsignalen und der Messgröße stehen. Beispielsweise ist ein als Abstandssensor verwendeter Wirbelstromsensor bekannt, der berührungslos den Abstand zu einem Objekt mit bestimmten metallischen oder magnetischen Eigenschaften bestimmen kann. Der Wirbelstromsensor umfasst einen passiven Sensorkopf mit einer Induktivität und ein als Kapazität wirkendes Anschlusskabel, über welches der Sensorkopf an eine speziell auf den Sensorkopf abgestimmte Sensorelektronik angeschlossen wird. Aus dem Sensorkopf, der Anschlussverkabelung und einer Treibereinheit in der Sensorelektronik ergibt sich ein Resonator bzw. Schwingkreis. Die Sensorelektronik betreibt den Schwingkreis und verarbeitet die mittels Sensorkopf erzeugten Messsignale und stellt nach einer Signalaufbereitung in Abhängigkeit des gemessenen Abstandes zu einem Objekt an ihrem Ausgang ein Ausgangssignal bereit, bspw. 4–20 mA. Als Sensor oder Abstandssensor ist dabei eine Einheit zu verstehen, die zumindest einen Sensorkopf, eine Verkabelung und eine Sensorelektronik umfasst. Unter „Abstandssensor“ soll im Folgenden ein Wirbelstromsensor oder ein kapazitiver Sensor zu verstehen sein. Such measuring systems are known in practice in a variety of ways and provided for processing or converting the measurement signals generated by a sensor into output signals which are clearly related to the measurement signals and the measured variable. For example, an eddy-current sensor used as a distance sensor is known, which can determine the distance to an object with certain metallic or magnetic properties without contact. The eddy current sensor comprises a passive sensor head with an inductance and a connection cable acting as a capacitance, via which the sensor head is connected to a sensor electronics specially adapted to the sensor head. From the sensor head, the connection cabling and a driver unit in the sensor electronics results in a resonator or resonant circuit. The sensor electronics operates the resonant circuit and processes the measuring signals generated by the sensor head and, following signal conditioning, provides an output signal, for example 4-20 mA, at its output as a function of the measured distance to an object. As a sensor or distance sensor is to be understood a unit comprising at least one sensor head, a wiring and a sensor electronics. The term "distance sensor" is to be understood below as an eddy-current sensor or a capacitive sensor.

Um dem jeweiligen Ausgangssignal einen bestimmten Abstand zuordnen zu können, muss eine Kalibrierkurve angelegt werden, über die eine solche Zuordnung möglich ist. Dazu wird ein Kalibriernormal, beispielsweise ein kalibrierter, berührender Messtaster, verwendet. Der mit diesem Messtaster erfasste „echte“ Abstand wird üblicherweise als Referenzsignal demjenigen Ausgangssignal zugeordnet, welches der zu kalibrierende Sensor für den von ihm „gemessenen“ Abstand ausgibt. Für unterschiedliche Abstände („Stützstellen“) ergeben sich Wertepaare aus einem Referenzsignal des Messtasters und einem Ausgangssignal des Sensors, die in einer Tabelle aufgeführt sein können. In order to be able to assign a specific distance to the respective output signal, a calibration curve must be created, via which such an assignment is possible. For this purpose, a calibration standard, for example a calibrated, touching measuring probe, is used. The "true" distance detected with this probe is usually assigned as a reference signal to that output signal which the sensor to be calibrated outputs for the distance "measured" by it. For different distances ("interpolation points"), value pairs result from a reference signal of the probe and an output signal of the sensor, which can be listed in a table.

Unter Annahme einer linearen Kalibrierkurve lassen sich durch Interpolation bzw. Extrapolation auch für weitere, nicht erzeugte Ausgangssignale des Sensors die jeweiligen Abstandswerte des Kalibriernormals zuordnen. Die Referenzsignale des Referenzsensors bzw. die Ausgangssignale des Abstandssensors können jedoch aber auch einem nicht-linearen Zusammenhang unterliegen. Assuming a linear calibration curve, the respective distance values of the calibration standard can also be assigned by interpolation or extrapolation for further, not generated output signals of the sensor. However, the reference signals of the reference sensor or the output signals of the distance sensor can also be subject to a non-linear relationship.

Die Kalibriertabelle kann beispielsweise im Speicher einer Steuerung (etwa einer SPS) hinterlegt und abgefragt werden, um aus den Ausgangssignalen des Sensors über die Kalibriertabelle die zugehörigen „echten“ Abstandswerte zu ermitteln und auszugeben. Für die Erstellung der Kalibrierkurve ist es zweckmäßig, für eine möglichst große Zahl von Stützstellen das von der Sensorelektronik dafür jeweils ausgegebene Ausgangssignal dem entsprechenden Referenzsignal des Kalibriermittels zuzuordnen, um sich so der tatsächlichen Kennlinie des Sensors bestmöglich anzupassen. The calibration table can for example be stored in the memory of a controller (such as a PLC) and queried to determine from the output signals of the sensor via the calibration table, the corresponding "real" distance values and output. For the preparation of the calibration curve, it is expedient for the largest possible number of support points assigned by the sensor electronics each output signal to the corresponding reference signal of the calibration, so as to best match the actual characteristic of the sensor.

Allerdings ist es dazu im Stand der Technik erforderlich, für jede Stützstelle das vom Sensor erzeugte Ausgangssignal und das zugehörige, vom Kalibriernormal als „echter Wert“ gelieferte Referenzsignal zur jeweiligen Zuordnung in die Tabelle zu übertragen, was in der Regel manuell über eine geeignete Eingabeschnittstelle (Tastatur, Touchscreen, etc.) geschieht. Dies stellt in der Praxis jedoch einen erheblichen Aufwand dar und erfordert Fachwissen und Routine, sowie eine zusätzliche technische Ausrüstung. Dazu kommt die Gefahr, dass Daten fehlerhaft eingegeben werden, die dann zu einem unbrauchbaren Ergebnis führen. However, in the prior art, it is necessary in the prior art to transmit the sensor-generated output signal and the associated reference signal supplied by the calibration standard as "true value" to the respective assignment in the table, which as a rule is performed manually via a suitable input interface (FIG. Keyboard, touch screen, etc.) happens. However, this represents a considerable effort in practice and requires expertise and routine, as well as additional technical equipment. In addition, there is a risk that data entered incorrectly, which then lead to an unusable result.

Die Kalibrierung ist für Wirbelstromsensoren oder kapazitive Sensoren von besonderer Relevanz. Solche Sensoren erzeugen ein Wechselfeld, welches eine abstandsabhängige Charakteristik zu einem gegebenen Objekt aufweist. Allerdings hängt die Charakteristik nicht nur vom Abstand zum Objekt ab, sondern insbesondere auch von dessen Objekteigenschaften wie Leitfähigkeit, Permeabilität, Geometrie, Neigung (Lage im Raum), Größe, Vergütung, Beschichtung etc. Schwankungen bis zu 20% sind hier zu beobachten. Daher müssen die genannten Sensortypen jeweils auf ein bestimmtes Objekt bzw. dessen Eigenschaften kalibriert werden. Ändert sich bei gleichem Sensor die Objekteigenschaft (was für Wirbelstromsensoren schon durch verschiedene Metallsorten innerhalb der gleichen Hauptgüteklasse nach EN10020 gegeben wäre), so ergeben sich selbst bei identischem Abstand deutliche Linearitäts- und Skalierungsfehler. Das Messsystem muss daher stets die aktuellen Materialeigenschaften berücksichtigen und ein Wechsel des Objekts (genauer: der Objekteigenschaften) erfordert daher selbst bei unveränderten Abstandsverhältnissen jeweils eine neue Kalibrierung. Dies ist aufwendig und aus den vorgenannten Gründen mit einigen Unsicherheiten verbunden. The calibration is of particular relevance for eddy current sensors or capacitive sensors. Such sensors generate an alternating field which has a distance-dependent characteristic to a given object. However, the characteristic depends not only on the distance to the object, but also in particular on its object properties such as conductivity, permeability, geometry, inclination (position in space), size, coating, coating etc. Variations of up to 20% can be observed here. Therefore, the sensor types mentioned must each be calibrated to a specific object or its properties. If the object characteristic changes with the same sensor (which for eddy-current sensors would already be given by different metal types within the same main quality class according to EN10020), then even with the same distance clear linearity and scaling errors result. Therefore, the measuring system must always take into account the current material properties and a change of the object (more precisely: the object properties) therefore requires a new calibration even if the distance ratios remain unchanged. This is costly and associated with some uncertainties for the reasons mentioned above.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messsystem zur Kalibrierung von Sensoren bzw. ein vereinfachtes Kalibrierverfahren anzubieten, welches die vorgenannten Nachteile überwindet. The object of the invention is therefore to offer a measuring system for calibrating sensors or a simplified calibration method, which overcomes the aforementioned disadvantages.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object is achieved by a measuring system according to claim 1 and a method according to Claim 10. Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, unmittelbar an der Sensorelektronik des Abstandssensors die Möglichkeit zu schaffen, das Referenzsignal eines als Kalibriernormal dienenden Referenzsensors einspeisen zu können, um dadurch den Kalibriervorgang beschleunigen zu können und gleichzeitig die Zwischenschaltung menschlicher Verstandestätigkeit auf das Notwendigste zu reduzieren. Anders als bei einem herkömmlichen Kalibrierverfahren wird dabei nicht mehr das in der Regel analoge Ausgangssignal der Sensorelektronik für die Erstellung der Kalibrierdaten bzw. der genannten Wertepaare herangezogen. Stattdessen wird erfindungsgemäß bereits in der Sensorelektronik die Zuordnung der Referenzsignale zu den mittels Sensorkopf erzeugten Messsignalen vorgenommen bzw. eine solche bereits erfasste Zuordnung aus einem Speicher der Elektronik herangezogen. Die Messsignale des Sensors werden auf Basis dieser Zuordnung bereits korrigiert, noch bevor das resultierende Signal als Ausgangssignal des Sensors analog oder digital bereitgestellt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das Ausgangssignal der Sensorelektronik, bspw. 0–10V, bereits fertig kalibriert ist. Eine „externe“ Kalibriertabelle oder -kurve, die in einer separat zum Sensor vorzusehenden Steuerung abzulegen und abzufragen wäre, kann damit vorteilhaft entfallen. Ferner kann die Kalibrierung weitgehend automatisch, mit einer großen Anzahl von Stützstellen und insbesondere ohne manuelle Übertragung von Werten erfolgen, wodurch die Fehleranfälligkeit des Kalibrierverfahrens deutlich reduziert wird. The invention is based on the idea to provide directly to the sensor electronics of the distance sensor the ability to feed the reference signal serving as a calibration standard reference sensor, thereby speeding up the calibration process and at the same time to reduce the interposition of human intellectual activity to the bare minimum. In contrast to a conventional calibration method, the output signal of the sensor electronics, which is generally analogous, is no longer used for the generation of the calibration data or the specified value pairs. Instead, according to the invention, the assignment of the reference signals to the measurement signals generated by the sensor head is already carried out in the sensor electronics, or such an already acquired assignment is used from a memory of the electronics. The measurement signals of the sensor are already corrected based on this assignment, even before the resulting signal is provided as an output signal of the sensor analog or digital. This ensures that the output signal of the sensor electronics, eg. 0-10V, is already fully calibrated. An "external" calibration table or curve, which would have to be stored and interrogated in a separate control unit from the sensor, can thus advantageously be dispensed with. Furthermore, the calibration can be largely automatic, with a large number of nodes and in particular without manual transmission of values, which significantly reduces the error rate of the calibration process.

Das Messsystem bietet damit in kompakter Form eine Betriebseinheit für einen Abstandssensor mit integrierter Kalibrierfunktion. Zwar ist ein herkömmlicher Wirbelstromsensor auch mittels Verarbeitung seines Ausgangssignals und Zuordnung eines entsprechenden Kalibriersignals kalibrierbar, etwa durch Verarbeitung dieser Signale in einer nachgeschalteten Steuereinheit bzw. SPS, welche dann das korrigierte Signal ausgibt. Nachteiligerweise liegt die Sensorelektronik eines Wirbelstromsensors jedoch in der Regel als nur einem bestimmten Sensorkopf zugeordnete, eigenständige Einheit vor, die ein (notfalls zu korrigierendes) Ausgangssignal ausgibt. Eine die Kalibrierung in herkömmlicher Weise unterstützende Steuereinheit, bspw. nach Art einer SPS, ist dabei nur als eine eigenständige, räumlich getrennte Signalverarbeitungseinheit bekannt. Sie ist meist auch nur zur Einspeisung von standardisierten Sensor-Ausgangssignalen ausgebildet und verfügt auch nicht über eine Treiberelektronik für den Sensorkopf. Auch ist bisher kein Wirbelstromsensor bekannt, dessen Sensorelektronik die Einspeisung und Verarbeitung eines Referenzsignals eines weiteren Sensors, insbesondere eines Kalibriernormals, überhaupt ermöglicht. The measuring system thus offers in a compact form an operating unit for a distance sensor with integrated calibration function. Although a conventional eddy current sensor can also be calibrated by processing its output signal and assigning a corresponding calibration signal, for example by processing these signals in a downstream control unit or PLC, which then outputs the corrected signal. However, disadvantageously, the sensor electronics of an eddy-current sensor are generally in the form of a separate unit associated with only one specific sensor head and outputting an output signal (which may need to be corrected). In this case, a control unit which supports the calibration in a conventional manner, for example in the manner of a PLC, is known only as an independent spatially separate signal processing unit. It is usually designed only for the supply of standardized sensor output signals and also does not have a driver electronics for the sensor head. Also, no eddy current sensor is known, the sensor electronics allows the feeding and processing of a reference signal of another sensor, in particular a calibration standard, at all.

Das erfindungsgemäße Messsystem umfasst eine Sensorelektronik in einem Gehäuse, wobei die Sensorelektronik einen ersten Signaleingang aufweist, über den der Kopf eines als Wirbelstromsensor oder kapazitiver Sensor dienender Abstandssensors mit der Sensorelektronik verbindbar ist. Die Sensorelektronik ist in zunächst bekannter Weise ausgebildet zur Verarbeitung von mittels Sensorkopf erzeugten Messsignalen, zur Aufbereitung der Messsignale und zur Ausgabe von aus den Messsignalen abgeleiteten Ausgangssignalen, die in einem eindeutigen Zusammenhang zu einem Abstand x stehen, in dem der Sensorkopf von der Oberfläche eines Objekts angeordnet ist. Die Ausgangssignale können in digitaler (CAN-Bus, USB) oder auch analoger Form (beispielsweise 0–20 mA, 0–10 V etc.) vorliegen und einer mit der Sensorelektronik verbindbaren Ausgabe- oder Steuereinheit zugeführt werden. The measuring system according to the invention comprises sensor electronics in a housing, the sensor electronics having a first signal input, via which the head of a distance sensor serving as eddy current sensor or capacitive sensor can be connected to the sensor electronics. The sensor electronics are designed in an initially known manner for processing measuring signals generated by means of a sensor head, for processing the measuring signals and for outputting output signals derived from the measuring signals, which are unambiguously related to a distance x in which the sensor head is from the surface of an object is arranged. The output signals can be in digital (CAN bus, USB) or analog form (for example, 0-20 mA, 0-10 V, etc.) and supplied to a connectable to the sensor electronics output or control unit.

Erfindungsgemäß bietet die Sensorelektronik einen zweiten Signaleingang für die Referenzsignale eines als Referenzsensor dienenden Sensors, dem dann die Funktion eines Kalibriernormals zukommen kann. Die Sensorelektronik ist dazu ausgebildet, neben den Messsignalen des Sensorkopfes des Abstandssensors auch die Referenzsignale des Referenzsensors zu verarbeiten und Kalibierdaten zu erstellen und zu hinterlegen, mit denen die Linearität und/oder die Skalierung des Abstandssensors in Abhängigkeit der Eigenschaften des Objektes festgelegt werden. Das Ausgangssignal der Sensorelektronik ist damit rückführbar kalibriert. According to the invention, the sensor electronics provides a second signal input for the reference signals of a sensor serving as a reference sensor, which can then have the function of a calibration standard. The sensor electronics are designed to process not only the measurement signals of the sensor head of the distance sensor but also the reference signals of the reference sensor and to create and store calibration data with which the linearity and / or the scaling of the distance sensor are determined as a function of the properties of the object. The output signal of the sensor electronics is thus traceable calibrated.

Anders als im Stand der Technik erhält die Sensorelektronik des Abstandssensors sowohl die Messsignale des Sensorkopfes selbst als auch die Referenzsignale, so dass im Rahmen eines automatisierten Kalibrierverfahrens für eine Reihe von nacheinander anzufahrenden Stützstellen (Entfernungen x₁, x₂ ...) das mittels Sensorkopf erzeugte, noch nicht in ein Ausgangssignal des Sensors ungewandelte Messsignal einem jeweiligen „echten“ Abstand gemäß Kalibriernormal (bzw. im regulären Betrieb gemäß erstellter Kalibriertabelle) zugeordnet werden kann. Die Einbindung menschlicher Tätigkeit beim Kalibrieren wird dabei bestmöglich reduziert, beispielsweise auf das Anfahren der einzelnen Stützstellen. Die Zuordnung von Messwerten zur Erstellung der Kalibriertabelle kann weitgehend automatisch in der Sensorelektronik des Sensors selbst erfolgen, und Kalibrierwerte müssen weder manuell noch in eine separate Steuerung (SPS) übertragen werden. Erfindungsgemäß ergibt sich dadurch ein Messsystem mit einer Sensorelektronik, welche nicht nur im regulären Betrieb die Umwandlung der „eigenen“ Messsignale zu einem bereits kalibrierten Ausgangssignal erlaubt, indem aus einer in der Elektronik hinterlegbaren Kalibriertabelle die korrekte Zuordnung erfolgt. Insbesondere besteht über den zweiten Signaleingang die Möglichkeit, die Referenzsignale eines Kalibiernormals direkt aufzunehmen und unmittelbar mit den Messsignalen, die der Sensor mittels seines Sensorkopfes erzeugt, zur Erstellung und Hinterlegung solcher Kalibrierdaten zu verarbeiten. Unlike in the prior art, the sensor electronics of the distance sensor receives both the measurement signals of the sensor head itself and the reference signals, so that in the context of an automated calibration for a series of consecutively approached nodes (distances x ₁ , x ₂ ...) by means of sensor head generated, not yet converted into an output signal of the sensor measuring signal a respective "real" distance according to calibration standard (or in normal operation according to the created calibration table) can be assigned. The integration of human activity during calibration is thereby optimally reduced, for example, to the starting of the individual interpolation points. The assignment of measured values to create the calibration table can largely be done automatically in the sensor electronics of the sensor itself, and calibration values do not need to be transferred manually or to a separate controller (PLC). According to the invention, this results in a measuring system with a sensor electronics, which not only in regular operation, the conversion of the "own" measurement signals to an already calibrated output signal allowed by one from the electronics depositable calibration table, the correct assignment is made. In particular, via the second signal input, it is possible to record the reference signals of a calibration standard directly and to process them directly with the measurement signals which the sensor generates by means of its sensor head in order to create and store such calibration data.

Das erfindungsgemäße Messsystem kann auch eine Sensorelektronik für mehr als nur einen Abstandssensor umfassen. In diesem Fall können die mehreren Sensoren jeweils einen eigenen Sensorkopf und Treiber umfassen, deren Signale dann – zusätzlich zu denen des separat anschließbaren Referenzsensors – in der gemeinsamen Elektronik verarbeitet werden. So können auch mehrere angeschlossene Abstandssensoren gleichzeitig oder nacheinander mit einem einzigen Referenzsensor kalibriert werden. Entsprechend ist die Elektronik dann mit mehreren Ausgabekanälen versehenen. The measuring system according to the invention can also comprise sensor electronics for more than just one distance sensor. In this case, the plurality of sensors may each comprise a separate sensor head and driver whose signals are then - processed in the common electronics - in addition to those of the separately connectable reference sensor. Thus, several connected distance sensors can be calibrated simultaneously or one after the other with a single reference sensor. Accordingly, the electronics is then provided with several output channels.

Anstelle eines Kalibriernormals kann an dem zweiten Signaleingang auch ein anderer Sensor, bspw. ein Drehwinkelgeber, angeschlossen werden, der im Folgenden auch als „Referenzsensor“ bezeichnet sein soll. Durch die Kopplung der Signale des Drehwinkelsensors innerhalb der Sensorelektronik mit den Messsignalen des Abstandssensorkopfes können Drehwinkel und Position bzw. Abstand erfindungsgemäß bereits mit ihren „Rohsignalen“ hochdynamisch einander zugeordnet (synchronisiert) werden. Entsprechend kann die Elektronik des Abstandssensors zwei bereits synchronisierte digitale Ausgangssignale liefern, bspw. in Form von einander zugeordneten digitalen Wertepaaren für den Abstand und einen zugehörigen Drehwinkel. Instead of a calibration standard, another sensor, for example a rotary encoder, can be connected to the second signal input, which will also be referred to below as the "reference sensor". By coupling the signals of the rotation angle sensor within the sensor electronics with the measurement signals of the distance sensor head rotation angle and position or distance according to the invention with their "raw signals" highly dynamically associated with each other (synchronized). Accordingly, the electronics of the distance sensor can deliver two already synchronized digital output signals, for example in the form of mutually associated digital value pairs for the distance and an associated angle of rotation.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Abstandssensor ein Wirbelstromsensor, so dass die Sensorelektronik speziell zur Auswertung der von diesem Sensor bereitgestellten Messsignale ausgebildet ist. Zu den in Frage kommenden Messsignalen gehören insbesondere Signale von inkrementalen Sensoren (Taster oder Drehgeber mit Signaltyp: AB-Quadratursignal und Bezugspunktausgabesignal als Leitungstreiberausgabe nach EIA-422, A/Ainv,B/Binv,Z/Zinv). According to a preferred embodiment of the invention, the distance sensor is an eddy current sensor, so that the sensor electronics is specially designed for the evaluation of the measurement signals provided by this sensor. In particular, the measurement signals in question include signals from incremental sensors (buttons or encoders with signal type: AB quadrature signal and reference point output signal as line driver output according to EIA-422, A / Ainv, B / Binv, Z / Zinv).

Eine besondere Eignung des erfindungsgemäßen Messsystems für Wirbelstromsensoren ergibt sich daraus, dass eine Kalibrierung immer dann nötig ist, wenn der Abstand zu einem Objekt mit veränderten Objekteigenschaften oder unter geänderten Randbedingungen (bspw. geänderten Dielektrizitätswerten bei kapazitiven Abstandssensoren) erfasst werden soll, und die entsprechenden Kalibrierwerte noch nicht in der Sensorelektronik hinterlegt sind. Eine Kalibrierung ist dann erfindungsgemäß schnell und fehlersicher möglich. A particular suitability of the measuring system according to the invention for eddy current sensors results from the fact that a calibration is always necessary if the distance to an object with changed object properties or under changed boundary conditions (eg changed dielectric values in capacitive distance sensors) is to be detected, and the corresponding calibration values not yet stored in the sensor electronics. A calibration is then inventively fast and fail-safe possible.

Die Kalibrierung kann innerhalb der für den Abstandssensor und den Referenzsensor gemeinsam vorgesehenen Sensorelektronik vorgenommen werden, die kompakt im Messsystem bzw. in dessen Gehäuse untergebracht ist. Während für den Kalibriervorgang eine Kommunikation mit einer externen Anzeige- und/oder Steuereinheit (PC) zweckmäßig ist, um bspw. Stützstellen auszuwählen, benötigt das erfindungsgemäße System für den regulären Betrieb im kalibrierten Zustand keinerlei solche Mittel, da die Kalibrierdaten in der Elektronik des Sensors selbst sowohl abgelegt als auch im Betrieb zugeordnet werden. Dies ist im Stand der Technik nachteiligerweise anders, da dort die Kalibrierdaten außerhalb der Sensorelektronik in einer separaten Einheit erstellt und abgelegt werden (etwa in einer SPS), die auch im regulären Betrieb des Sensors stets verfügbar sein muss. Die Ausgangssignale des erfindungsgemäßen Messsystems dagegen sind bereits fertig kalibriert. The calibration can be carried out within the sensor electronics jointly provided for the distance sensor and the reference sensor, which is compactly accommodated in the measuring system or in its housing. While communication with an external display and / or control unit (PC) is expedient for the calibration procedure in order, for example, to select support points, the system according to the invention does not require any such means for regular operation in the calibrated state, since the calibration data in the electronics of the sensor itself both stored and assigned during operation. This is disadvantageously different in the prior art, since there the calibration data outside the sensor electronics are created and stored in a separate unit (such as in a PLC), which must always be available even in regular operation of the sensor. By contrast, the output signals of the measuring system according to the invention are already completely calibrated.

Das Kalibrierverfahren kann mit Hilfe des Messsystems zügig und weitgehend automatisiert durchgeführt werden, um den Sensor auf die jeweiligen Objekteigenschaften einzustellen, ohne dass die von einem Kalibriernormal sonst separat ausgegebenen Referenzwerte „zu Fuß“ übertragen werden müssten. The calibration procedure can be carried out quickly and largely automated with the aid of the measuring system, in order to adjust the sensor to the respective object properties, without having to transfer the reference values otherwise output separately by a calibration standard "on foot".

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ergibt sich für den Anwender aus der Kalibrierung, da diese rückführbar ist, der mit dem System kalibrierte Abstandssensor also rückführbar kalibriert ist. Durch den im System ermittelten und hinterlegten eindeutigen Bezug zwischen den vom Sensorkopf erzeugten Messsignalen und den vom Kalibriernormal gelieferten Referenzsignalen für die wahren Messgrößen besteht anwenderseitig kein Erfordernis, für den Sensor selbst eine eigene rückführbare Kalibrierung vorzusehen, solange das an den zweiten Signaleingang angeschlossene Kalibriernormal seinerseits rückführbar kalibriert ist. Die vom Kalibriernormal bereitgestellten, üblicherweise digitalen oder inkrementalen Signale können im Messsystem eindeutig zugeordnet werden, dass auch der Abstandssensor als rückführbar kalibriert gilt. Daher kann der Anwender, der im Besitz eines rückführbar kalibrierten Messnormals ist, seinen mit dem Messsystem eingesetzten Sensor unmittelbar selbst rückführbar kalibrieren. A particular advantage of the system according to the invention results for the user from the calibration, since this is traceable, so calibrated with the system distance sensor is calibrated traceable. The unique relationship between the measured signals generated by the sensor head and the reference signals for the true measured variables provided by the calibration standard does not require the user to provide his own traceable calibration as long as the calibration standard connected to the second signal input is traceable calibrated. The usually digital or incremental signals provided by the calibration standard can be unambiguously assigned in the measuring system such that the distance sensor is also considered to be calibrated as traceable. Therefore, the user in possession of a traceable calibrated measurement standard can calibrate his / her own sensor directly traceable.

Zweckmäßigerweise ist der Referenzsensor über den vorzugsweise als EIA-422-Schnittstelle ausgebildeten zweiten Signaleingang mit Energie versorgbar. Gleiches gilt auch für den Abstandssensor, so dass beide Sensoren unmittelbar und ausschließlich an die gemeinsame Sensorelektronik des Messsystems anschließbar und von dieser betreibbar sind. Advantageously, the reference sensor can be supplied with energy via the second signal input, which is preferably designed as an EIA-422 interface. The same applies to the distance sensor, so that both sensors can be connected directly and exclusively to the common sensor electronics of the measuring system and operated by the latter.

Vorzugsweise umfasst die Sensorelektronik eine Signalverarbeitungseinheit (CPU), in der die Messsignale des Sensorkopfes und die Referenzsignale des Referenzsensors verarbeitet werden. Weiterhin umfasst die Sensorelektronik zweckmäßigerweise einen Speicher, der zur Aufnahme von in der Signalverarbeitungseinheit gebildeten Daten, insbesondere von Kalibrierdaten, ausgebildet ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen nicht-flüchtigen Speicher (EEPROM). Ein solcher Speicher bietet die Möglichkeit, für unterschiedliche am Messsystem anzuschließende Sensoren jeweils die entsprechenden Kalibrierdaten zu hinterlegen, die dann von der Signalverarbeitungseinheit aus dem Speicher gezielt abgerufen werden können. Für den Einsatz von Abstandssensoren ergibt sich ferner der Vorteil, dass die für verschiedene Objekte oder veränderte Randbedingungen gehörenden unterschiedlichen Kalibrierdaten bzw. Kalibrierkurven in Bezug auf den verwendeten Sensorkopf im Speicher abgelegt und bei Bedarf abgerufen werden können. So kann z.B. ein bestimmter Wirbelstromsensor zunächst auf unterschiedliche Objekte kalibriert werden, um dann die jeweils gültige Kalibrierkurve für das ausgewählte Objekt aus dem Speicher aufzurufen. Eine geeignete Software für den Betrieb der Signalverarbeitungseinheit und des Speichers kann diese Datenverarbeitung steuern. The sensor electronics preferably comprise a signal processing unit (CPU) in which the measuring signals of the sensor head and the reference signals of the reference sensor are processed. Furthermore, the sensor electronics expediently comprise a memory which is designed to receive data formed in the signal processing unit, in particular calibration data. Preferably, this is a non-volatile memory (EEPROM). Such a memory offers the possibility of storing the respective calibration data for different sensors to be connected to the measuring system, which can then be retrieved from the memory in a targeted manner by the signal processing unit. For the use of distance sensors, there is also the advantage that the different calibration data or calibration curves associated with different objects or changed boundary conditions can be stored in the memory with respect to the sensor head used and retrieved as needed. Thus, for example, a specific eddy current sensor can first be calibrated to different objects in order then to call up the respectively valid calibration curve for the selected object from the memory. Suitable software for operating the signal processing unit and the memory may control this data processing.

Ferner sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Sensorelektronik eine Schnittstelle für eine externe Steuereinheit (bspw. SPS) oder eine Datenverarbeitungsanlage (etwa einen PC) oder für die Ausgabe digitaler oder analoger Ausgangssignale an andere Verarbeitungseinheiten aufweist. So könnte die Sensorelektronik etwa über einen Computer die Ausgangssignale der angeschlossenen Abstandssensoren, Kalibrierkurven, Angaben zur Skalierung oder Linearität zu bestimmten Objekteigenschaften darstellbar machen oder das Kalibrierverfahren visualisieren und steuern. Auch die Eingabe von Datenverarbeitungsbefehlen an die Sensorelektronik, insbesondere zur Durchführung einer Kalibrierung, soll erfindungsgemäß über geeignete Eingabeschnittstellen möglich sein. Furthermore, a further advantageous embodiment of the invention provides that the sensor electronics has an interface for an external control unit (eg, SPS) or a data processing system (such as a PC) or for the output of digital or analog output signals to other processing units. For example, the sensor electronics could display the output signals of the connected distance sensors, calibration curves, scaling or linearity data on specific object properties, or visualize and control the calibration process, for example via a computer. The input of data processing commands to the sensor electronics, in particular for carrying out a calibration, should be possible according to the invention via suitable input interfaces.

Das erfindungsgemäße Messsystem wird vervollständigt durch einen mit ihm verbundenen Abstandssensorkopf, um dadurch eine eigenständige Einheit zur Abstandsmessung auszubilden, mit einem Abstandssensor insbesondere als Wirbelstromsensor oder kapazitiver Sensor. The measuring system according to the invention is completed by a distance sensor head connected to it, thereby forming an independent unit for distance measurement, with a distance sensor, in particular as an eddy current sensor or capacitive sensor.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Messsystem auch eine Justiervorrichtung für den Kalibriervorgang. Die Justiervorrichtung umfasst eine in einer Führung sitzende Halterung, die den Kopf des Abstandssensors und den Referenzsensor aufnehmen kann. Über Betätigungsmittel ist die Halterung entlang der Führung verfahrbar, wodurch sich der Abstand des Sensorkopfes bzw. des Referenzsensors zu einem ortsfest angeordneten Objekt verändert (umgekehrt könnte auch das Objekt relativ zu den ortsfest gehaltenen Sensorköpfen bewegt werden). Die Justiervorrichtung ist dabei so gestaltet, dass sich der Abstand der Sensorköpfe zum Objekt beim Verfahren der Halterung jeweils um den gleichen Betrag ändert. „Abstand“ bezeichnet dabei die Entfernung einer Objektoberfläche zu einem typischerweise unbewegten Abschnitt des Sensors (Sensorkopf, Sensorgehäuse), und nicht etwa zu einer relativ zum Sensor beweglichen Messnadel, die den Körper abtastet. According to an advantageous embodiment of the invention, the measuring system also includes an adjusting device for the calibration process. The adjustment device comprises a holder which is seated in a guide and which can receive the head of the distance sensor and the reference sensor. About actuating means, the holder along the guide is movable, whereby the distance of the sensor head and the reference sensor changed to a stationary object arranged (conversely, the object could be moved relative to the stationary held sensor heads). The adjusting device is designed so that changes the distance of the sensor heads to the object during the process of the holder in each case by the same amount. "Distance" refers to the removal of an object surface to a typically stationary portion of the sensor (sensor head, sensor housing), and not to a relative to the sensor movable measuring needle, which scans the body.

Das die Justiervorrichtung umfassende Messsystem gestattet auf einfache Weise die Kalibrierung eines Abstandssensors, insbesondere eines Wirbelstromsensors, mit einem als Kalibriernormal dienenden Referenzsensor, die beide von der Halterung aufgenommen werden können, um unterschiedliche Stützstellen (Entfernungen des Sensorkopfes zum Objekt) anfahren und so mit der Sensorelektronik eine geeignete Kalibrierkurve im Messsystem hinterlegen zu können. The measuring system comprising the adjusting device makes it possible in a simple manner to calibrate a distance sensor, in particular an eddy current sensor, with a reference sensor which serves as a calibration standard, both of which can be picked up by the holder, approaching different interpolation points (distances of the sensor head to the object) and thus with the sensor electronics to be able to deposit a suitable calibration curve in the measuring system.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung eines Wirbelstromsensors mit einem Referenzsensor sieht vor, dass die Referenzsignale eines Referenzsensors der Sensorelektronik des Abstandssensors zugeführt und mit den vom Sensorkopf erzeugten Messsignalen in einer Signalverarbeitungseinheit verarbeitet werden, um durch eine Zuordnung der Messsignale zu den Referenzsignalen die Kalibrierdaten zu generieren. The method according to the invention for calibrating an eddy current sensor with a reference sensor provides that the reference signals of a reference sensor are supplied to the sensor electronics of the distance sensor and processed with the measurement signals generated by the sensor head in a signal processing unit in order to generate the calibration data by assigning the measurement signals to the reference signals.

In Weiterführung des Verfahrens können mittels Sensorkopf erzeugte Messsignale in der Sensorelektronik mit den erstellten Kalibrierdaten zur Ausgabe eines digitalen oder analogen Ausgangssignals verarbeitet werden, so dass der Sensor stets bereits kalibrierte Daten ausgibt. Die Kalibrierdaten, evtl. auch weitere für das Betreiben des Sensors wesentliche oder hilfreiche Daten, können in einer vorzugsweise nicht flüchtigen Speichereinheit der Sensorelektronik hinterlegt werden. As a continuation of the method, measurement signals generated by the sensor head can be processed in the sensor electronics with the calibration data created to output a digital or analog output signal, so that the sensor always outputs calibrated data. The calibration data, possibly also other data which are essential or helpful for the operation of the sensor, can be stored in a preferably non-volatile memory unit of the sensor electronics.

Damit gestattet das Verfahren einen gegenüber dem Stand der Technik vereinfachten Kalibriervorgang innerhalb einer beiden Sensoren gemeinsam dienenden Sensorelektronik, die sowohl zur Zuordnung der Signale beider Sensoren zueinander, als auch zur Bildung vor Kalibrierdaten und zur Auswahl bzw. Bereitstellung der geeigneten Kalibrierdaten im normalen Messbetrieb eines Wirbelstromsensors geeignet ist. Die Sensorelektronik ist dabei eine kompakte Einheit, vorzugsweise innerhalb eines Gehäuses. Thus, the method allows a simpler compared to the prior art calibration process within a sensor common to both sensors, both to assign the signals of both sensors to each other, as well as to form calibration data and to select or provide the appropriate calibration data in the normal measurement operation of an eddy current sensor suitable is. The sensor electronics is a compact unit, preferably within a housing.

Die Datenzufuhr, insbesondere des Referenzsensors, kann galvanisch gekoppelt, galvanisch getrennt und insbesondere auch per Funkübertragung erfolgen, was die Handhabung des Messsystems vereinfacht. Zwar sind systembedingt die Schnittstellen für den Sensorkopf bzw. den Referenzsensor zweckmäßigerweise für eine drahtgebundene Signalübertragung ausgebildet. Grundsätzlich kommt jedoch auch die drahtlose Signalübertragung in Frage. The data supply, in particular of the reference sensor, can be galvanically coupled, galvanically isolated and in particular also be carried out by radio transmission, which simplifies the handling of the measuring system. Although systemically, the interfaces for the sensor head and the reference sensor are suitably designed for a wired signal transmission. Basically, however, the wireless signal transmission comes into question.

Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems wird nachfolgend anhand einer Figurenbeschreibung näher erläutert. An embodiment of a measuring system according to the invention is explained in more detail below with reference to a description of the figures.

Die einzige 1 zeigt dabei ein Messsystem D, welches eine von einem Gehäuse G umfasste Sensorelektronik T enthält. Die Sensorelektronik T umfasst einen ersten Signaleingang E₁ zum Anschluss eines Sensorkopfes K als Teil eines Abstandssensors S, der als Wirbelstromsensor ausgeführt ist. Der Sensor S umfasst dabei in an sich bekannter Weise die gestrichelt umrahmten Komponenten, zu denen der Sensorkopf K, eine Verbindungsleitung und insbesondere Teile der Sensorelektronik T gehören. Die umrahmten Komponenten bilden einen herkömmlichen Wirbelstromsensor mit digitaler Signalaufbereitung, der über einen oder mehrere Ausgänge Ausgangssignale A_S, A_S‘ bereitstellt, die analog und/oder oder digital vorliegen können. The only 1 shows a measuring system D, which includes a sensor G comprised of a housing electronics T. The sensor electronics T includes a first signal input E ₁ for connecting a sensor head K as part of a distance sensor S, which is designed as an eddy current sensor. The sensor S includes in a conventional manner the dashed framed components, which include the sensor head K, a connecting line and in particular parts of the sensor electronics T. The framed components form a conventional eddy current sensor with digital signal conditioning, which provides output signals A _S , A _S 'via one or more outputs which may be analog and / or digital.

Über einen zweiten Signaleingang E₂ ist erfindungsgemäß ein zweiter Sensor S_R an die Sensorelektronik T des Abstandssensors S anschließbar, der bspw. als Kalibriernormal die Funktion eines Referenzsensors übernimmt. Via a second signal input E ₂ , according to the invention, a second sensor S _{R can be connected} to the sensor electronics T of the distance sensor S, which, for example, assumes the function of a reference sensor as a calibration standard.

Der Sensorkopf K und der Referenzsensor S_R sind in einer zu einer gemeinsamen Justiervorrichtung V gehörenden gemeinsamen Halterung H aufgenommen, die zur Oberfläche F eines Objektes O so verfahrbar und beabstandet angeordnet ist, dass der Sensorkopf K bzw. eine geeignete Referenzfläche des Referenzsensors S_R einen wählbaren Abstand x zur Oberfläche F einnehmen. Der Referenzsensor S_R liegt mit einer Messnadel auf der Oberfläche F auf und liefert als Kalibriernormal über den Signaleingang E₂ ein Referenzsignal N an eine als Teil der Sensorelektronik T vorgesehene Signalverarbeitungseinheit CPU. The sensor head K and the reference sensor S _R are accommodated in a common holder H belonging to a common adjusting device V, which is arranged so as to be movable and spaced from the surface F of an object O such that the sensor head K or a suitable reference surface of the reference sensor S _R Selectable distance x to the surface F occupy. The reference sensor S _R is located with a measuring needle on the surface F and supplies as a calibration standard via the signal input E _2, a reference signal N to a provided as part of the sensor electronics T signal processing unit CPU.

Über den ersten Signaleingang E₁ und einen Schwingkreistreiber P werden vom Abstandssensor S Messsignale L über einen A/D-Wandler an die Signalverarbeitungseinheit CPU übertragen. In einer mit „B“ bezeichneten Referenzierung und Ausgabewertberechnung werden die Messsignale N des Referenzsensors S_R den Messsignalen L des Abstandssensors S_R für verschiedene Abstände x (Stützstellen) zugeordnet zur Erstellung einer Kalibriertabelle bzw. Kalibrierkurve, die in einem nicht flüchtigen Speicher M der Sensorelektronik T abgelegt werden kann. Via the first signal input E ₁ and a resonant circuit driver P, measuring signals L are transmitted by the distance sensor S to the signal processing unit CPU via an A / D converter. In a direction indicated by "B" referencing and output value calculation, the measurement signals N of the reference sensor are S _R associated with the measured signals L of the distance sensor S _R for different distances x (sampling points) to create a calibration table or calibration curve in a nonvolatile memory M of the sensor electronics T can be stored.

Über nicht näher identifizierte analoge oder digitale Schnittstellen kann die Signalverarbeitungseinheit CPU Ausgangssignale A_S, A_S‘ bereitstellen, die zur Weiterverarbeitung bzw. Visualisierung der in der Sensorelektronik T gebildeten Signale verwendet werden können. Die Ausgangssignale A_S, A_S‘ können durch Zuordnung von im Speicher M hinterlegten Kalibrierdaten zu den erzeugten Messsignalen L gebildet werden. The signal processing unit CPU can provide output signals A _S , A _S 'via unspecified analog or digital interfaces which can be used for further processing or visualization of the signals formed in the sensor electronics T. The output signals A _S , A _S 'can be formed by assigning stored in the memory M calibration data to the generated measurement signals L.

Claims

Measuring system (D), a) comprising sensor electronics (T) of a trained as eddy current sensor or capacitive sensor distance sensor (S), b) wherein the sensor electronics (T) has a first signal input (E ₁ ) for connecting the sensor head (K) of the distance sensor (S) has, c) and wherein the sensor electronics (T) is formed i) for operating a resonant circuit of the distance sensor (S), and ii) for processing of sensor head (K) generated measuring signals (L) and for outputting an output signal ( A _S , A _S '), which describes the distance (x) between a reference surface of the sensor head and the surface (F) of an object (O), characterized in that d) the sensor electronics (T) have a second signal input (E ₂ ) has for the supply of signals (N) of a reference sensor (S _R ).

Measuring system according to claim 1, characterized in that the sensor electronics (T) is designed to associate the measuring signals (L, N) to one another and / or to create and deposit calibration data with which the linearity and / or the scaling of the distance sensor (S) is determined depending on the properties of the object (O).

Measuring system according to claim 2, characterized in that the sensor electronics (T) for forming the output signal (A _S , A _S ') is formed by processing the generated measurement signals (L) with the reference signals (N) of the reference sensor (S _R ) or with stored in the sensor electronics (T), using reference sensor (S _R ) generated calibration data.

Measuring system according to claim 1, characterized in that it comprises the sensor head (K) of an eddy current sensor (S) or a capacitive sensor (S).

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the Reference sensor (S _R ) via the second signal input (E ₂ ) can be supplied with energy.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor electronics (T) comprises a signal processing unit (CPU), in which the signals of the sensor head (K) and the reference sensor (S _R ) are processed together.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor electronics (T) comprises a preferably non-volatile memory (M) which is designed to receive data formed in a signal processing unit (CPU), in particular calibration data for the distance sensor (S), is provided.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor electronics (T) has an interface for an external data processing system and / or for the output of digital or analog output signals (A _S , A _S ').

Measuring system according to one of the preceding claims, comprising an adjusting device (V) with a seated in a guide holder (H) for the head (K) of a distance sensor (S) and for a reference sensor (S _R ), wherein the holder (H) via Actuating means so along the guide relative to the object (O) is movable, that thereby the distance (x) between the sensor head (K) or reference sensor (S _R ) and the object (O) changes by the same amount.

Method for calibrating a distance sensor (S) designed as an eddy-current sensor or capacitive sensor with a reference sensor (S _R ), wherein the distance sensor (S) comprises a sensor head (K) and a sensor electronics (T), characterized in that the sensor head (K ) are assigned to the reference signals (N) of the reference sensor (S _R ) in the sensor electronics (T) of the distance sensor (S) to form calibration data in the form of a calibration table or calibration curve.

Method according to the preceding claim, characterized in that the measuring signals (L) generated by the sensor head (K) in the sensor electronics (T), preferably in a signal processing unit (CPU), with the calibration data for outputting a digital or analog output signal (A _S , A _S ') of the sensor (S) are processed.

Method according to the preceding claim, characterized in that the calibration data are stored in a preferably non-volatile memory (M) of the sensor electronics (T).