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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibration mindestens eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, mit mindestens einer signalleitenden Verbindung zu mindestens einem Signalwandler.
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Kalibrationen von Sensoren sind zur Ausgabe exakter Werte durch den Sensor notwendig. Ein Standardverfahren zur Kalibration eines Sensors oder auch eines anderen Messgerätes sieht vor, dass dem Sensor bekannte Referenzwerte der zu bestimmenden Messgröße vorgegeben werden, auf die der Sensor dann entsprechend eingestellt wird.
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In der
DE 10 2006 058 269 D4 ist ein Verfahren zur Kalibrierung mindestens eines Drucksensors beschrieben. Der zu kalibrierende Drucksensor weist hierbei mindestens eine Membran auf. Zunächst wird mit dem Drucksensor ein an der Membran anliegender Prozessdruck gemessen. Dieser Prozessdruck wird mit einem zusätzlichen Druck überlagert und der sich hierdurch an der Membran ergebende Druck wird gemessen. Im Wesentlichen soll hierbei die Stärke des Druckes, mit dem der Prozessdruck überlagert wird gleich dem gemessenen Prozessdruck sein. Der sich ergebende Druckwert wird mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, wobei der vorgegebene Sollwert im Wesentlichen identisch mit Null sein soll. Die Abweichung zwischen dem Sollwert und dem gemessenen überlagerten Druckwert wird bestimmt und für die Kalibration verwendet.
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Nachteilig ist, dass beispielsweise bei einer werkseitigen Kalibration Einflüsse von Einflussgrößen, die nach der Kalibration auf den Sensor wirken, nicht berücksichtigt werden können. Beispielweise können Sensoren, die sich direkt nach der Herstellung in einem trockenen Zustand befinden und in diesem kalibriert werden, nach der Aufnahme von Feuchtigkeit, beispielsweise von Luftfeuchtigkeit, systematisch falsche Werte anzeigen. Zumeist ist die Kalibration nach der Feuchteauslagerung aus wirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll, da die Aufnahme von Feuchtigkeit zumeist ein langsamer Prozess mit einer Sättigungszeit von mehreren Tagen ist und somit die spätere Kalibration den Produktionsablauf zu sehr in die Länge zieht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibration eines Sensors bereitzustellen, bei dem Einflüsse einer weiteren auf den Sensor wirkenden Einflussgröße korrigiert werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Bei einem Verfahren zur Kalibration mindestens eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, mit mindestens einer signalleitenden Verbindung zu mindestens einem Signalwandler ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass eine Sensorcharakteristik durch die Bestimmung mindestens einer Messgröße bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen aufgenommen wird, dass aus der Sensorcharakteristik die Größe des Einflusses einer weiteren Einflussgröße auf den Sensor über einen funktionalen Zusammenhang bestimmt wird, dass die Größe des Einflusses der weiteren Einflussgröße in die Kalibration eingeht und dass der Einfluss der weiteren Einflussgröße ausgeglichen wird.
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Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen piezoresistiven Drucksensor handeln, der beispielsweise zur Ermittlung des Druckes und/oder der Temperatur eines Motoröls in einem Motor eingesetzt wird. Der durch das Motoröl anliegende Druck wird in dem Sensor beispielsweise mit Hilfe einer integrierten Schaltung in einen digitalen äquivalenten Wert transformiert. Unter Berücksichtigung der anliegenden Temperatur kann der digitale äquivalente Wert in den korrekten Wert des Druckes, beispielsweise in der Maßeinheit bar umgerechnet werden. Ein entsprechendes Messsignal kann beispielsweise als ein Pulsweitenmodulationssignal ausgegeben werden.
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Eine Kalibrierung kann beispielsweise durch herstellungsbedingte Schwankungen der Sensoren notwendig werden, die sich in Schwankungen in den digitalen äquivalenten Werten der Messgröße niederschlagen.
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Zur Bestimmung einer Sensorcharakteristik werden Werte mindestens einer Messgröße, beispielsweise des Druckes, bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen aufgenommen. Beispielsweise können bei drei verschiedenen Temperaturen digital äquivalente Werte von zwei oder drei anliegenden Referenzdrücken bestimmt werden. Zusätzlich können die digitalen äquivalenten Werte zu den drei Referenztemperaturen bestimmt werden. Diese als Rohwerte bezeichneten digitalen äquivalenten Werte dienen als Eingangsdaten der Kalibrierung. Zu den Eingangsdaten können ebenfalls die Referenztemperaturen und die Referenzdrücke zählen. Die Ausgangsdaten dieser Kalibrierung können konstante Parameter sein, die beispielsweise in der integrierten Schaltung gespeichert werden. Diese Parameter können beispielsweise als Koeffizienten in eine mathematische Funktion, beispielsweise ein Polynom, zur Umrechnung der digitalen äquivalenten Werte der entsprechenden Messgrößen in die korrekten Ausgabewerte des Sensors eingehen. Durch das Einwirken weiterer Einflussgrößen, beispielsweise der Feuchtigkeit, kann es zu einer fehlerhaften Umrechnung der digitalen äquivalenten Werte in die entsprechenden korrekten Ausgabewerte kommen. Beispielsweise können die Druckrohdaten im trockenen Zustand in Abhängigkeit von der Temperatur einen parabolischen Verlauf zeigen. Nach einer Feuchteauslagerung der Sensoren ist zur Annäherung der Rohdaten allerdings eine andere Parabel als im trockenen Zustand notwendig. Zur Untersuchung dieses Sachverhaltes kann beispielsweise eine signifikante Auswahl an trockenen Sensoren gleicher Bauart feucht ausgelagert werden und während der Trocknung der Sensoren können die entsprechenden von den Sensoren gemessenen Druckrohwerte der Sensoren in Abhängigkeit von der Temperatur aufgezeichnet werden. Aus der Vielzahl an temperaturabhängigen Druckrohwertkurven kann dann eine optimale Kennlinie, beispielsweise eine Parabel bestimmt werden, die beispielsweise im Mittel zwischen den Kurven des feuchten und des trockenen Zustands liegt. Durch diese Mittelung kann somit ein Vorhalt gegen die Feuchtigkeitsauslagerung geschaffen sein, so dass Abweichungen der Rohdaten durch Annäherung durch eine falsche Parabel so klein werden, dass die Ausgabewerte des Sensors im Toleranzbereich des Sensors liegen.
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Die Größe des Einflusses der weiteren Einflussgröße, beispielsweise der Feuchtigkeit, auf einen Sensor kann aus dem Abstand der Druckrohwertkurve im trockenen Zustand zu der gemittelten optimalen Rohwertkurve bestimmt werden. Die Bestimmung der Abstände zwischen den beiden Druckkurven kann beispielsweise bei drei verschiedenen Temperaturen erfolgen. Um dieses Verfahren nicht für jeden zu kalibrierenden Sensor durchführen zu müssen, kann die Größe des Einflusses der weiteren Einflussgröße aus einer Sensorcharakteristik, beispielsweise der Temperatursensitivität der Druckrohrdaten ermittelt werden.
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Dazu wird zwischen mindestens zwei Temperaturwerten die Sekante einer Rohwertkurve eines Sensors bestimmt. Die Steigung dieser Sekante gibt die Empfindlichkeit des Messsignals, in diesem Fall des Drucksignals gegenüber einer Temperaturänderung an. Diese Empfindlichkeit wird Sensitivität genannt.
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Anhand der signifikanten Auswahl an Sensoren wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Sensitivität und der Größe des Feuchteeinflusses bei den verschiedenen Temperaturen festgestellt. Aus der einfach aus der Sensorcharakteristik zu bestimmenden Sensitivität kann also auf die Größe des Einflusses der Feuchtigkeit geschlossen werden. In Abhängigkeit von der Sensitivität kann somit eine Kompensation des Feuchteeinflusses berechnet werden. Die zur Kalibration jedes einzelnen Sensors gemessenen Druckrohwerte werden mittels linearer Transformationen, die anhand der signifikanten Auswahl an Sensoren bestimmt wurden, in Richtung der optimalen gemittelten Parabel korrigiert. Die Geradengleichungen der linearen Transformationen geben zur Sensitivität eines Sensors den Abstand zur optimalen Parabel bei Umgebungsdruck bei der jeweiligen Temperatur an. Zur Bestimmung der Korrekturtransformation des Feuchteeinflusses reicht somit die Bestimmung der Sensitivität eines jeden Sensors aus.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens entspricht die Größe des Einflusses der weiteren Einflussgröße den Abständen der durch den Sensor aufgenommenen Rohwerte der Messgröße zu entsprechenden, auf einer vorbestimmten Kennlinie liegenden gemittelten Werten bei mindestens zwei Temperaturwerten. Die gemittelten Werte lassen sich beispielsweise aus einer signifikanten Auswahl an baugleichen Sensoren erhalten, deren Rohwerte unter dem Einfluss der weiteren Einflussgröße aufgezeichnet werden. Bei der weiteren Einflussgröße kann es sich beispielsweise um Feuchtigkeit, beispielsweise Luftfeuchtigkeit, handeln. Beispielsweise können bei einer Vielzahl von feucht ausgelagerten baugleichen Sensoren die Druckrohwerte aufgezeichnet werden, während die Sensoren getrocknet werden. Aus diesen Daten kann eine optimale Kennlinie beispielsweise eine Parabel der Druckrohwerte ermittelt werden, die im Mittel zwischen den Druckrohwerten der Sensoren im trockenen und im feuchten Zustand liegt. Durch die Ermittlung des Abstandes der Rohdatenlinie eines Sensors zu der gemittelten Kennlinie kann die Größe des Einflusses der Feuchtigkeit auf den Sensor bestimmt werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Sekante der auf einem Funktionsgraphen liegenden Rohwerte der Messgröße zwischen mindestens zwei Temperaturwerten berechnet, wird die Steigung der Sekante bestimmt und aus der Steigung der Sekante wird auf die Sensitivität der Rohwerte der Messgröße gegenüber Temperaturänderungen geschlossen. Beispielsweise können die Druckrohwerte eines zu kalibrierenden Sensors bei verschiedenen Temperaturen, beispielsweise in einem Bereich von 20°C bis 170°C, aufgezeichnet werden. Aus dieser temperaturabhängigen Druckrohwertkurve kann dann zwischen zwei Temperaturpunkten, beispielsweise zwischen 40°C und 130°C, die Sekante bestimmt werden. Von dieser Sekante wird die Steigung bestimmt. Aus der Steigung lässt sich schließen, wie empfindlich das Druckrohsignal gegenüber der Änderung der Temperatur ist. Die Empfindlichkeit gegenüber der Temperaturänderung des Druckrohsignals wird Sensitivität genannt.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zwischen der Größe des Einflusses der weiteren Einflussgröße und der Sensitivität der Rohwerte der Messgröße gegenüber Temperaturänderung ein linearer Zusammenhang angenommen. Bei der Untersuchung einer Vielzahl von baugleichen Sensoren ergibt sich, dass zwischen der Empfindlichkeit des Druckrohsignals gegenüber Temperaturänderung, also der Sensitivität, und der Größe des Einflusses der weiteren Einflussgröße, beispielsweise der Feuchtigkeit, eine Korrelation besteht. Aus dieser Korrelation lässt sich auf einen starken linearen Zusammenhang zwischen der Sensitivität und der Größe des Einflusses der Feuchtigkeit schließen. Dieser lineare Zusammenhang lässt sich beispielsweise durch Mittelung über die Messergebnisse einer Vielzahl von baugleichen Sensoren beispielsweise bei zwei Temperaturpunkten, beispielsweise 40°C und 80°C bestimmen. Der lineare Zusammenhang an diesen beiden Temperaturpunkten lässt sich durch jeweils eine Lineartransformation, beispielsweise in Form einer sensitivitätsabhängigen Gradengleichung ausdrücken.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein Ausgleich des Einflusses der weiteren Einflussgröße in der Kalibration in Abhängigkeit von der Temperatursensitivität der Messgröße berechnet und zum Ausgleich des Einflusses werden die Rohwerte in Richtung der vorbestimmten Kennlinie verschoben. Durch die Korrelation der Sensitivität der Druckrohdaten gegenüber Temperaturänderungen mit der Größe des Einflusses der weiteren Einflussgröße können durch die Auswertung einer Vielzahl von baugleichen Sensoren Lineartransformationen für verschiedene Temperaturpunkte bestimmt werden. Durch diese Lineartransformationen können die gemessenen Druckrohwerte eines Sensors in Richtung der über eine Vielzahl baugleicher Sensoren gemittelten Kennlinie verschoben werden. Durch das Verschieben der Druckrohwerte in Richtung der gemittelten Kennlinie wird ein Vorhalt gegen den Einfluss der Feuchtigkeit geschaffen. Abweichungen der Rohwerte, die durch den Einfluss der Feuchtigkeit hervorgerufen werden, werden soweit ausgeglichen, dass die Druckrohdaten durch den Sensor korrekt interpretiert werden können und somit die Ausgabedaten des Sensors innerhalb der Genauigkeitstoleranzen liegen.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Korrektur der Rohwerte in Richtung der vorbestimmten Kennlinie über mindestens eine Lineartransformation, die zu mindestens einem Sensitivitätswert den Abstand zur vorbestimmten Kennlinie bei mindestens einer Temperatur angibt. Die Lineartransformationen werden anhand einer signifikanten Auswahl baugleicher Sensoren ermittelt und sind von den jeweiligen Sensitivitätswerten abhängig. Die Gradengleichungen bei dem jeweiligen Temperaturwert sind somit vorgegeben, so dass nur noch zur Kalibration eines Sensors die Sensitivität der Rohwerte gegenüber der Temperaturänderung durch die Bestimmung der Steigung der Sekante aus der Sensorcharakteristik ermittelt werden muss.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens handelt es sich bei der vorbestimmten Kennlinie um eine gemittelte Kennlinie der Rohdaten der Messgröße bei variierender Temperatur, die an einer Auswahl an baugleichen Sensoren bestimmt wird, wobei die Kennlinien bei der Trocknung feuchter Sensoren aufgenommen werden und der Mittelwert der Kennlinien bestimmt wird. Produktionstechnisch ist es günstig, Sensoren direkt nach ihrer Herstellung, also im trockenen Zustand zu kalibrieren. Durch die Verwendung der Sensoren in Normalatmosphäre sind die Sensoren der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Feuchtigkeit hat einen Einfluss auf die Umrechnung der digitalen äquivalenten Messwerte in die korrekten Ausgabewerte, beispielsweise in der Maßeinheit bar oder °C. Um die Ungenauigkeit bei der Umrechnung auszugleichen, wird eine Vielzahl baugleicher Sensoren im feuchten Zustand während der Trocknung untersucht. Aus den jeweils gemessenen Druckrohwerten werden Kennlinien erstellt, wobei eine gemittelte Kennlinie zwischen dem feuchtem Zustand und dem trockenen Zustand berechnet wird. Durch diese mittlere Kennlinie ist ein Vorhalt der von einem Sensor gemessenen Rohwerten gegenüber dem Feuchteeinfluss gegeben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung besteht zwischen den gemessenen Rohwerten und den Ausgabedaten des Sensors ein funktionaler Zusammenhang über ein Polynom mindestens erster Ordnung. Die in die Kalibration eingehenden Eingangsdaten sind die Rohwerte, also die digitalen Äquivalente der Messgrößen, beispielsweise die digitalen Äquivalente der gemessenen Druckwerte, der digitalen Äquivalente der Temperatur, sowie der Referenztemperaturen und die Referenzdruckwerte. Die Rohwerte werden über die linearen Transformationen transformiert, also in Richtung der gemittelten Kennlinie verschoben. Diese transformierten Daten sind die Ausgangsdaten der Kalibrierung, die im integrierten Schaltkreis als konstante Parameter gespeichert werden. Im späteren Betrieb des Sensors werden die Rohwerte der physikalischen Eingangsgrößen, beispielsweise des Druckes und der Temperatur, mittels eines Polynoms, vorzugsweise eines Polynoms zweiter Ordnung, in die entsprechenden Werte in bar und °C umgerechnet. Dabei gehen die bei der Kalibrierung berechneten Parameter, die in dem integrierten Schaltkreis gespeichert wurden, als Koeffizienten in dieses Polynom ein. Damit die Umrechnung der Rohwerte in die entsprechenden Werte in bar und °C korrekt erfolgt, muss der Einfluss der Feuchtigkeit durch das Verschieben der Rohwertekurve in Richtung der gemittelten Kurve herausgerechnet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische graphische Darstellung der gemessenen Rohwerte.
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In 1 sind beispielhaft die digitalen Äquivalente der Messgröße beispielsweise des Druckes, bei verschiedenen Temperaturen dargestellt. So wurde bei der Temperatur T1 einmal der Druck P1 und einmal der Druck P3 angelegt, wodurch die digitalen Äquivalente 1 und 2 zu den jeweiligen gemessenen Drücken aufgezeichnet wurden. Bei der Temperatur T2 wurden drei verschiedene Drücke P1, P2 und P3 angelegt, zu denen die digitalen Äquivalente 3, 4 und 5 aufgezeichnet wurden. Entsprechend wurden bei T3 zu den Drücken P1 und P3 die digitalen Äquivalente 6 und 7 aufgezeichnet. Die digitalen Äquivalente werden auch als Rohwerte bezeichnet. Zusätzlich zu den digitalen Äquivalenten der Messgröße des Druckes kommen gehen noch digitale Äquivalente der Temperaturen, die Referenztemperaturen T1, T2 und T3 sowie digitale Äquivalente der Referenzdrücke P1, P2 und P3 in die Kalibrierung ein. In diesem Fall gehen somit als Eingangsdaten beispielhaft sieben digitale Äquivalente 1 bis 7 des Druckes, drei Referenzdrücke, drei digitale Äquivalente der Temperatur und drei Referenztemperaturen ein. Als Ausgangsdaten der Kalibrierung werden sieben konstante Parameter berechnet, die in der integralen Schaltung gespeichert werden. Im Betrieb des Sensors werden die digitalen Äquivalente der physikalischen Eingangsgrößen des Druckes und der Temperatur mittels eines Polynoms zweiter Ordnung in entsprechende Werte in bar und °C umgerechnet. Die bei der Kalibrierung berechneten Parameter gehen als Koeffizienten in dieses Polynom ein.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006058269 D4 [0003]
