DE19757196A1

DE19757196A1 - Sensoranordnung mit Meßfehlererkennung

Info

Publication number: DE19757196A1
Application number: DE19757196A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Lochmann; Stefan Pusch
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1999-06-24
Also published as: US6278389B1; JPH11271096A; EP0927868B1; EP0927868A2; DE59814249D1; EP0927868A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit zwei Sensoren und einer Auswerteeinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Winkelsensoranordnung mit zwei relativ zueinander winkelversetzt angeordneten Winkelsensoren und einer Auswerteeinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 sowie ein Verfahren zur Meßfehlererkennung bei einer solchen Sensoranordnung.

Eine solche Sensoranordnung ist aus dem Philips-Datenhandbuch SC 17, Semiconductor Sensors, Ausgabe 1997, Seiten 186-187 bekannt. Dort sind zwei Winkelsensoren mit jeweils einer A/D-Wandlereinheit (A/D = Analog/Digital) verbunden. Die aus jeweils vier Meßelementen, in Form einer Meßbrücke aufgebauten Winkelsensoren sind relativ zueinander um einen Winkel von 45° versetzt angeordnet und liefern am Ausgang jeweils ein sinusförmiges Sensorsignal. Diese Sensorsignale sind aufgrund der winkelversetzten Anordnung um 90° phasenverschoben. Mittels einer Auswerteeinheit wird aus den beiden Sensorsignalen ein Meßsignal ermittelt, das beispielsweise der Winkelposition eines Meßobjektes gegenüber der Sensoranordnung proportional ist.

Es wurde festgestellt, daß am Eingang der Auswerteeinheit, insbesondere bei der A/D-Wandlung der Sensorsignale Fehler auftreten können, die das zu ermittelnde Meßsignal verfälschen, ohne daß dies am Meßsignal oder an den Sensorsignalen selbst bei der bekannten Sensoranordnung festgestellt werden kann. Solche Fehler können beispielsweise durch eine fehlerhafte A/D-Wandlereinheit verursacht werden. Auch die Sensoren selbst können fehlerhaft arbeiten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei der bekannten Sensoranordnung möglichst einfache Maßnahmen zur Erkennung solcher Fehler zu treffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebene Sensoranordnung gelöst. Dort wird in einem ersten Schaltzustand ein erstes Meßsignal wie bei der bekannten Sensoranordnung berechnet. In einem zweiten Schaltzustand werden jedoch die Verbindungen zwischen den Sensoren und den A/D-Wandlereinheiten vertauscht, so daß jeder A/D-Wandlereinheit das andere Sensorsignal zugeführt wird. In diesem Schaltzustand wird ein zweites Meßsignal ermittelt, das dann mit dem ersten Meßsignal verglichen wird. Aus diesem Vergleich wird ein Fehlersignal generiert, das eine Aussage darüber liefert, ob ein Fehler vorliegt oder nicht. Als Fehlerkriterium kann dabei beispielsweise die Differenz zwischen den beiden Meßsignalen dienen, für die ein Grenzwert definiert werden kann. Der Aufwand für diese effektive Lösung zur Erkennung von Fehlern am Eingang der Auswerteeinheit ist sehr gering und besteht im einfachsten Fall darin, einfache Umschaltmittel zwischen den beiden Sensoren und den beiden A/D- Wandlereinheiten vorzusehen. Solche Umschaltmittel können beispielsweise einfache taktgesteuerte Schalter oder ein Multiplexer sein.

Die Speichermittel bei der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 sollen gewährleisten, daß die im zweiten Schaltzustand von den A/D-Wandlereinheiten verarbeiteten Sensorsignale sich nicht von den im ersten Schaltzustand verarbeiteten Sensorsignalen unterscheiden. Solche Speichermittel sind dann vorzusehen, wenn sich die Meßgröße, beispielsweise die Winkelposition eines Meßobjekts, sehr schnell ändert. Wenn andererseits gewährleistet werden kann, daß sich die Sensorsignale während des ersten und zweiten Schaltzustandes nicht ändern, können diese Speichermittel auch entfallen.

Um auch Fehler innerhalb der Auswerteeinheit feststellen zu können, ist gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 3 vorgesehen, eine zweite Recheneinheit zusätzlich zu der bei der bekannten Sensoranordnung vorgesehenen einen Recheneinheit einzusetzen. Beispielsweise kann das erste Meßsignal mit der ersten Recheneinheit und das zweite Meßsignal mit der zweiten Recheneinheit bestimmt werden, um somit Fehler in der Recheneinheit festzustellen. Denkbar wäre auch zunächst mit der ersten Recheneinheit ein erstes und ein zweites Meßsignal und anschließend in einem zweiten Durchgang mit der zweiten Recheneinheit wiederum ein erstes und ein zweites Meßsignal (aus denselben Sensorsignalen wie bei der Berechnung mit der ersten Recheneinheit) zu bestimmen und anschließend zu vergleichen.

Die Sensoranordnung kann auch gemäß Anspruch 4 um ein weiteres, dem ersten Sensorpaar identisches Sensorpaar erweitert sein, dessen Sensorsignale als redundant zu dem ersten Sensorpaar während eines dritten und vierten Schaltzustandes ausgewertet werden. Die Auswerteeinheit ist dafür nur geringfügig zu ändern. Die Sensoranordnung arbeitet dann auch noch, wenn ein Sensor oder ein ganzes Sensorpaar ausfallen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz bei einer in Anspruch 5 angegebenen Winkelsensoranordnung. Das in Anspruch 6 angegebene Verfahren zur Meßfehlererkennung ist auch bei anderen Sensoranordnungen einsetzbar, bei denen aus jeweils zwei Sensorsignalen ein Meßsignal ermittelt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Winkelsensoranordnung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Ausgangskennlinien einer solchen Winkelsensoranordnung und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Winkelsensoranordnung mit zwei Sensorpaaren.

In Fig. 1 sind zwei Winkelsensoren 1, 2 der eingangs beschriebenen Art gezeigt, die aufgrund der winkelversetzten Anordnung zwei um 90° phasenverschobene Sensorsignale S₁, S₂ liefern. Bevorzugt sind die Winkelsensoren 1,2 auf einem einzigen Chipgehäuse nebeneinander oder wie bei der bekannten Anordnung ineinander verschlungen angeordnet. In einem ersten Schaltzustand, in dem sich alle Schalter 11 bis 15 in der gezeigten Stellung befinden, wird das Sensorsignal S₁ dem A/D-Wandler 3 und das Sensorsignal S₂ dem A/D-Wandler 4 zugeführt. Die gewandelten Sensorsignale werden der Recheneinheit 5 zugeführt, die daraus ein erstes Meßsignal m₁ bestimmt. Nach Digital/Analog-Wandlung im D/A-Wandler 7 wird das analoge Meßsignal M₁ der Ausgangseinheit 8 zugeführt, wo es zunächst gespeichert wird. Als Meßsignal M₁ liegt nun eine Spannung vor, deren Amplitude abhängig ist von dem Wert der zu messenden Meßgröße, hier von dem Betrag des Drehwinkels des Meßobjekts gegenüber den Winkelsensoren 1,2.

Anschließend werden nun alle Schalter 11 bis 15 der Auswerteeinheit 16 in die zweite (nicht gezeigte) Stellung gebracht. Dem A/D-Wandler 3 wird dann das mittels eines Speicherelements 9, z. B. eines Sample- and Hold-Gliedes gespeicherte Sensorsignal S₂ zugeführt, während dem A/D-Wandler 4 das im Speicherelement 10 gespeicherte Sensorelement S₁ zugeführt wird. Die Speicherung in den Speicherelementen 9, 10 ist dabei so ausgelegt daß im zweiten Schaltzustand dieselben Sensorsignale S₁, S₂ wie im ersten Schaltzustand verarbeitet werden. Die gewandelten Sensorsignale werden nun in der Recheneinheit 6 verarbeitet, die ein zweites Meßsignal m₂ bestimmt, welches nach Digital/Analog-Wandlung als analoges Meßsignal M₂ ebenfalls der Ausgangseinheit 8 zugeführt wird. Aus dem Vergleich der dort vorliegenden beiden Meßsignale M₁, M₂ kann entweder bei Überschreiten einer vorgegebenen Toleranz ein alarmgebendes Fehlersignal F ausgegeben werden oder im Falle der Einhaltung der Toleranz das Ausgangssignal M beispielsweise als Mittelwert aus den beiden Meßsignalen M₁, M₂ oder direkt eines der beiden Meßsignale M₁, M₂.

Das Diagramm in Fig. 2 zeigt als Kennlinien einer solchen Winkelsensoranordnung die Ausgangsspannung V in Abhängigkeit von dem zu messenden Winkel α. Im ersten Schaltzustand hat die Winkelsensoranordnung eine Kennlinie V₁, während im zweiten Schaltzustand je nach Beschaltung (Polarität) der Eingänge der Recheneinheit 6 entweder eine zur Kennlinie V₁ komplementäre Kennlinie V₂ oder eine zur Kennlinie V₁ identische Kennlinie V₂* gilt.

Bei einem zu messenden Winkel α₀ ergibt sich beispielsweise bei korrekt arbeitender Auswerteeinheit im ersten Schaltzustand ein Meßwert M₁₀ (Meßwert = Amplitude des analogen Meßsignals) und im zweiten Schaltzustand ein Meßwert M₂₀ bzw. M₂₀*. Ist die Differenz zwischen M₁₀ und M₂₀ bzw. M₂₀* innerhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, so liegt kein Fehler vor. Bei fehlerhaft arbeitender Auswerteeinheit kann sich jedoch die Situation ergeben, daß im ersten Schaltzustand ein Meßwert M₁₁ ermittelt wird, der auf einen Winkel α₀ hindeutet, während im zweiten Schaltzustand ein völlig anderer Meßwert M₂₁ bzw. M₂₁* ermittelt wird, der auf einen ganz anderen Winkel α₁ bzw. α₁* hindeutet. Die Differenz zwischen diesen Meßwerten wird dann nicht mehr innerhalb des definierten Grenzbereiches liegen, so daß ein Fehlersignal F erzeugt werden kann, das die Fehlerhaftigkeit der Auswerteeinheit 16 anzeigt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Winkelsensoranordnung sind neben den beschriebenen zwei Sensoren 1, 2 zwei weitere, den Sensoren 1, 2 identische Sensoren 1a, 2a vorgesehen. Die Umschaltmittel 11' und 12' sind so ausgestaltet, daß vier Schaltzustände A, B, C, D nacheinander geschaltet werden, wobei in den ersten beiden Schaltzuständen A, B die Sensorsignale S₁, S₂ der Sensoren 1, 2 in der beschriebenen Weise ausgewertet werden und zu Meßsignalen M₁, M₂ führen und in den weiteren zwei Schaltzuständen C, D die Sensorsignale S_1a, S_2a der Sensoren 1a, 2a in der beschriebenen Weise ausgewertet werden und zu Meßsignalen M₁', M₂' führen. Auch die Schalter 13, 14, 15, werden dazu entsprechend geschaltet. Um in allen Schaltzuständen zeitgleich gemessene Sensorsignale zu verarbeiten, sind entsprechende Speichermittel 91 bis 93 und 101 bis 103 vorgesehen.

Die Ausgangseinheit kann hier verschiedene Fehlermeldungen ausgeben:
Fehlersignal F₁ zeigt an, daß bei der Verarbeitung der Sensorsignale S₁, S₂ ein Fehler aufgetreten ist (F₁ entspricht dem Fehlersignal F in Fig. 1). Ein entsprechendes Fehlersignal F₂ kann einen Fehler bei der Verarbeitung der Sensorsignale S_1a, S_2a anzeigen. Ein Fehlersignal F₁₂ kann aus dem Vergleich der Meßsignale M₁, M₁', mit den Meßsignalen M₂, M₂' generiert werden, beispielsweise aus dem Vergleich der beiden Mittelwerte, um so den Ausfall eines der Sensoren 1, 2, 1a, 2a festzustellen. Als Ausgangswert wird auch hier der gesuchte Meßwert M ausgegeben, der beispielsweise der Mittelwert aller vier Meßsignale sein kann.

Die Erfindung kann auch im Zusammenhang mit anderen Sensoren eingesetzt werden, von denen einige beispielhaft genannt sein sollen:

a) In der Strömungsmeßtechnik werden zwei Sensoren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt, wobei der erste Sensor die Schallgeschwindigkeit des strömenden Mediums und die Strömungsgeschwindigkeit, der zweite, im "Strömungsschatten" angeordnete Sensor nur die Schallgeschwindigkeit mißt.
b) Zur Temperaturkompensation in einer Schaltung können zwei Sensoren eingesetzt werden, von denen einer die temperaturabhängige Meßgröße und der andere nur die Temperatur mißt.
c) Zur Differenzdruckmessung können zwei Drucksensoren eingesetzt werden.

Claims

1. Sensoranordnung mit zwei Sensoren (1, 2) und einer Auswerteeinheit (16) zur Ermittlung eines Meßsignals (M₁, M₂) aus zwei von je einem Sensor (1, 2) ausgegebenen Sensorsignalen (S₁, S₂), wobei die Auswerteeinheit (16) eingangsseitig zwei A/D-Wandlereinheiten (3, 4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Sensoren (1, 2) und den A/D- Wandlereinheiten (3, 4) Umschaltmittel (11, 12) vorgesehen sind zum Schalten von zwei Schaltzuständen derart, daß in jedem Schaltzustand den A/D-Wandlereinheiten (3, 4) je ein Sensorsignal (S₁, S₂) zugeführt ist und daß die Zuordnung der Sensorsignale (S₁, S₂) zu den A/D-Wandlereinheiten (3, 4) in den beiden Schaltzuständen unterschiedlich ist, und daß die Auswerteeinheit (16) ausgestaltet ist zur Bestimmung eines Fehlersignals (F) aus zwei während jeweils eines Schaltzustandes ermittelten Meßsignalen (M₁, M₂).

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Speichermittel (9, 10) vorgesehen sind zur Speicherung der während des ersten Schaltzustandes ermittelten Sensorsignale (S₁, S₂) und daß die Umschaltmittel (11, 12) derart ausgestaltet sind, daß im zweiten Schaltzustand die gespeicherten Sensorsignale (S₁, S₂) an den A/D-Wandlereinheiten (3, 4) anliegen.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (16) zwei den A/D- Wandlereinheiten (3, 4) nachgeschaltete Recheneinheiten (5, 6) aufweist und daß Umschaltmittel (13, 14) vorgesehen sind zum Umschalten der Verbindung zwischen den A/D-Wandlereinheiten (3, 4) und den Recheneinheiten (5, 6) derart, daß in einem Schaltzustand beide A/D-Wandlereinheiten (3, 4) mit einer ersten Recheneinheit (5) und im anderen Schaltzustand beide A/D-Wandlereinheiten (5, 6) mit der zweiten Recheneinheit (6) verbunden sind.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere jeweils ein Sensorsignal (S_1a, S_2a) ausgebende Sensoren (1a, 2a) vorgesehen sind, daß die Umschaltmittel (11', 12') vorgesehen sind zum Schalten zweier weiterer Schaltzustände derart, daß in diesen weiteren Schaltzuständen die Sensorsignale (S_1a, S_2a) der zwei weiteren Sensoren (1a, 2a) ausgewertet werden und daß die Auswerteeinheit ausgestaltet ist zur Bestimmung von Fehlersignalens (F₁, F₂, F₁₂) aus den vier während jeweils eines Schaltzustandes ermittelten Meßsignalen (M₁, M₂, M₁', M₂').

5. Winkelsensoranordnung mit zwei relativ zueinander winkelversetzt angeordneten Winkelsensoren (1, 2) und einer Auswerteeinheit (16) zur Ermittlung eines Meßsignals (M₁, M₂) aus zwei von je einem Winkelsensor (1, 2) ausgegebenen Sensorsignalen (S₁, S₂), wobei die Auswerteeinheit (16) eingangsseitig zwei A/D- Wandlereinheiten (3, 4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, zwischen den Winkelsensoren (1, 2) und den A/D- Wandlereinheiten (3, 4) Umschaltmittel (11, 12) vorgesehen sind Schalten von zwei Schaltzuständen derart, daß in jedem Schaltzustand den A/D-Wandlereinheiten (3, 4) je ein Sensorsignal (S₁, S₂) zugeführt ist und daß die Zuordnung der Sensorsignale (S₁, S₂) zu den A/D-Wandlereinheiten (3, 4) in den beiden Schaltzuständen unterschiedlich ist, und daß die Auswerteeinheit (16) ausgestaltet ist zur Bestimmung eines Fehlersignals (F) aus zwei während jeweils eines Schaltzustandes ermittelten Meßsignalen (M₁, M₂).

6. Verfahren zur Meßfehlererkennung bei einer Sensoranordnung, bei der aus zwei Sensorsignalen (S₁, S₂) mittels einer zwei A/D-Wandlereinheiten (3, 4) aufweisenden Auswerteeinheit (16) ein Meßsignal (M₁, M₂) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensorsignale (S₁, S₂) mittels jeweils einer A/D-Wandlereinheit (3, 4) gewandelt werden, daß aus deren Ausgangssignalen ein erstes Meßsignal (M₁) ermittelt wird, daß die beiden Sensorsignale (S₁, S₂) mit jeweils der anderen A/D-Wandlereinheit (3, 4) gewandelt werden, daß aus deren Ausgangssignalen ein zweites Meßsignal (M₂) ermittelt wird und daß aus den beiden Meßsignalen (M₁, M₂) ein Fehlersignal (F) ermittelt wird.