DE19947301C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung von Sensoren - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung von SensorenInfo
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- G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references
Abstract
Die Vorrichtung und das Verfahren zur Kalibrierung von Stromsensoren ist besonders geeignet für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Hier können mit Vorteil die ohnehin im Bordnetz des Kraftfahrzeugs vorhandenen Vorrichtungen wie z. B. die Batterie, der Generator und das Motorsteuergerät für die Kalibrierung der Sensoren genutzt werden. Es bedarf lediglich des zusätzlichen Einbaus einer Konstantstromsenke. Damit werden auch kostengünstige Sensoren mit großen Fehlertoleranzen, wie z. B. einfache Hallsensoren ohne Kompensation, im Kraftfahrzeug einsetzbar, ohne daß ein Nachteil gegenüber ansonsten notwendigen hochprecisen oder vorkalibrierten Sensoren entstünde. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß die Kalibrierung jederzeit zu praktisch jeden Zeitpunkt wiederholt werden kann. Damit können Driften der Sensoren, wie z. B. der temperaturabhängige Offset von Hallsensoren auch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs ermittelt und durch Nachkalibrieren eliminiert werden. Damit ist es auch nicht mehr notwendig, aufwendige und teure temperaturstabilisierte Sensoren einzusetzen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der
unabhängigen Ansprüche.
In modernen Kraftfahrzeugen kommen immer mehr Stromsensoren für die
Stromüberwachung des Bordnetzes zum Einsatz. Es ist deshalb wünschenswert möglichst
kostengünstige Sensoren einsetzen zu können. Ein Beispiel für kostengünstige Sensoren sind
Hallsensoren. Kostengünstige Sensoren haben jedoch in der Regel große
Fertigungstoleranzen, so daß die mit ihnen gewonnenen Meßwerte ebenfalls stark
voneinander abweichen. Verläßliche Mesungen sind mit solchen Sensoren erst nach deren
Kalibrierung möglich. Hierbei muß aufgrund der großen Fehlertoleranzen der einzelnen
Sensoren jeder Sensor einzeln kalibriert werden. Insbesondere beim Einbau solcher Sensoren
in Kraftfahrzeugen ist ein derartiger Aufwand nicht vertretbar.
Das Kalibrieren von Sensoren mit Hilfe von Meßzangen kann hier auch nicht weiterhelfen. Da
mit Meßzangen nachwievor jeder Sensor einzeln kalibriert werden müßte. Außerdem ist die
Meßzange selbst eine Fehlerquelle für eine falsche Kalibrierung. Die Problematik mit
fehlerhaft kalibrierten Meßzangen ist zum Beispiel in der DE 42 07 442 A1 aufgezeigt.
Außerdem muß eine Kalibrierung mit einer Meßzange aufwendig von Hand durchgeführt
werden.
Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, eine Vorrichtung und eine einfache, möglichst
automatisierbare Methode anzugeben, diese Sensoren zu kalibrieren. Die Kalibrierung sollte
vorgenommen werden können, ohne all zu große Eingriffe in die bekannten Bordnetze.
Außerdem soll die Kalibrierung nach dem endgültigen Einbau der Sensoren vorgenommen
werden können, und die Kalibrierung sollte jederzeit beliebig oft in situ, also im eingebauten
Zustand der Sensoren, wiederholt werden können.
Unter der Annahme eines linearen Zusammenhangs des Sensorsignals mit der Stromstärke
wird diese Aufgabe gelöst mit einer Anordnung und mit einem Verfahren mit den Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche.
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Die Vorrichtung und das Verfahren zur Kalibrierung von Stromsensoren ist besonders geeig
net für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Hier können mit Vorteil die ohnehin im Bordnetz des
Kraftfahrzeugs vorhandenen Vorrichtungen wie z. B. die Batterie, der Generator und das
Motorsteuergerät für die Kalibrierung der Sensoren genutzt werden. In einem Bordnetz mit
zwei Batterien kann an Stelle des Generators als zweite Spannungsquelle auch die zweite
Batterie mit einem DC-DC Wandler treten. Es bedarf lediglich des zusätzlichen Einbaus einer
Konstantstromsenke. Damit werden auch kostengünstige Sensoren mit großen Fehlertoleran
zen, wie z. B. einfache Hallsensoren ohne Kompensation, im Kraftfahrzeug einsetztbar, ohne
daß ein Nachteil gegenüber ansonsten notwendigen hochpräzisen oder vorkalibrierten Senso
ren entstünde. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß die Kalibrierung jederzeit zu
praktisch jeden Zeitpunkt wiederholt werden kann. Damit kann das Driften der Sensoren, wie
z. B. der temperaturabhängige Offset von Hallsensoren auch während des Betriebs des Kraft
fahrzeug ermittelt und durch Nachkalibrieren eliminiert werden. Damit ist es auch nicht mehr
notwendig aufwendige und teure temperaturstabilisierte Sensoren einzusetzen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung darge
stellt und näher erläutert.
In Fig. 1 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Erfindung baut auf den Kirchhoffschen Stromgeset
zen auf. Die drei zu kalibrierenden Sensoren S1, S2, S3 sind in drei verschiedenen Strompfa
den angeordnet, die sich alle in einem Knoten K treffen. Im Batteriestrompfad 1 ist der Sen
sor S1 angeordnet. Im Verbraucherstrompfad 2 ist der Sensor S2 angeordnet und im Genera
torstrompfad 3 ist der Sensor S3 angeordnet. Der Batteriestrompfad 1 führt vom Knoten K
über den Sensor S1 zum Pluspol der Batterie. Der Minuspol der Batterie ist mit Masse ver
bunden. Der Generatorstrompfad 3 führt über den Sensor S3 zu einem Gleichstromgenerator
G, der über einen Schalter TG zuschaltbar ist. Der Minuspol des Generators G ist mit Masse
verbunden. Zwischen Sensor S3 und Gleichstromgenerator ist an den Generatorstrompfad 3
eine über einen Schalter TKS schaltbare Konstantstromquelle KS zuschaltbar. Der Verbrau
cherstrompfad 2 führt von dem Knoten K über den Sensor S2 zu einem oder mehreren Ver
brauchern M. Bei der Verwendung der Erfindung in einem Kraftfahrzeugbornetz werden mit
dem Verbraucherstrompfad 2 die im Kraftfahrzeug vorhandenen elektrischen Hilfsaggregate
versorgt. Ein beispielhaft gezeigtes Steuergerät ist über Datenleitungen mit den Sensoren S1,
S2 und S3 verbunden. Weiterhin ist das Steuergerät über Steuerleitungen mit den Schaltern TKS
und TG verbunden. Weiterhin regelt das Steuergerät in an sich bekannter Weise die Stromab
gabe des Generators G. Bei der Verwendung der Erfindung in Bordnetzen mit einer zweiten
Batterie als zweiter Spannungsquelle kann an die Stelle des Generators auch die zweite Batte
rie mit einem DC-DC-Wandler treten. Bei der Verwendung der Erfindung im Kraftfahrzeug
wird für das Steuergerät das Motorsteuergerät verwendet und für den Generator wird der
Bordnetzgenerator verwendet. Die Regelung des Generators erfolgt über die Erregung der
Erregerspule.
Zur Kalibrierung der Sensoren S1, S3 wird zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein Zu
stand eingestellt, in dem der Generatorstrompfad 3 stromlos ist. Dies ist zum Beispiel der Fall
wenn die Schalter TG und TKS geöffnet sind, oder wenn bei geschlossenem Schalter TG der
Generator G exakt die gleiche Spannung liefert wie die Batterie. Zu diesem Zeitpunkt t0 wird
der Signalwert des Sensors S3 von dem Steuergerät abgespeichert. Dieser Signalwert ist der
Nullpunktoffset O3 des Sensors S3.
Nun wird in einem zweiten Verfahrensschritt die Konstantstromsenke KS zugeschaltet.
Durch die Konstantstromsenke KS fließt nun ein vorbekannter konstanter Strom, der von
dem aktuellen Spannungsgefälle im Generatorstrompfad 3 unabhängig ist. Wieder wird nun
zum Zeitpunkt t1 der Signalwert des Sensors S3 in das Steuergerät ausgelesen und gespei
chert. Der Quotient des Signalwertes zum Zeitpunkt t1 und des durch die Konstantstromsenke
fließenden vorbekannten Stromes gibt die Empfindlichkeit E3 des Sensors S3 an. Unterstellt
man einen linearen Zusammenhang zwischen Sensorsignal und Stromwert ist der Sensor da
mit kalibriert entsprechend der Gleichung
I3 = E3 . U3 + O3 1)
I3 = E3 . U3 + O3 1)
Wenn I3 der Strom im Generatorstrompfad 3 und U3 das Sensorsignal des Sensors S3 ist.
Nach erfolgter Kalibrierung des Sensors S3 wird in einem dritten Verfahrensschritt die Kon
stantstromquelle KS wieder vom Generatorstrompfad 3 getrennt.
Nun wird in einem vierten Verfahrensschritt eine zweite Spannungsquelle, im gezeigten Aus
führungsbeispiel der Generator G, eingeschaltet und eine bestimmte minimale Anzahl von
Verbraucher wird im Verbraucherstrompfad 2 zugeschaltet. Der Generator wird derart gere
gelt, daß der Generatorstrompfad 3 trotz nunmehr zugeschalteter Verbraucher stromlos ist,
was mit dem bereits kalibrierten Sensor S3 überwacht werden kann und damit auch vom
Steuergerät durch Regelung des Generators bewerkstelligt werden kann. In diesem Zustand
zum Zeitpunkt t2 wird der gesamte Strom I2 im Verbraucherstrompfad 2 von der Batterie über
den Batteriestrompfad 1 geliefert. Das Ausgangssignal U1(t2) des Sensors S1 und U2(t2) des
Sensors S2 wird in dem Steuergerät gespeichert. Die Erregung des Generators wird nun von
dem Steuergerät soweit erhöht, bis sich die Stromrichtung im Batteriestrompfad 1 umkehrt
und der Sensor S1 genau das invertierte Signal -U1(t2) anzeigt.
Jetzt zum Zeitpunkt t3 wird das Ausgangssignal U2(t3) und das Ausgangssignal des bereits
kalibrierten Sensors S3 abgefragt und daraus im Steuergerät aus Gleichung 1) der Strom I3(t3)
ermittelt.
Am Knoten K gilt:
zum Zeitpunkt t2:
zum Zeitpunkt t2:
I1 = I2 + I3 = I2 da I3 = 0 2)
Zum Zeitpunkt t3
-I1 = I2 + I3 3)
Falls sich der Strom 12 während der Kalibrierung nicht ändert, kann aus den Gleichungen 2)
und 3) I2 eliminiert werden und man erhält
I1 = I3/2 4)
Falls sich der Strom I2 vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 ändert, wird dies mit dem Sen
sor 2 erfaßt, der hierzu nicht kalibriert zu sein braucht. Für den Strom I2 in Gleichung 3 ist
dann ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen der aus den Sensorsignalen U2 des Sensors 2
zum Zeitpunkt t3 und zum Zeitpunkt t2 ermittelt wird. Der Korrekturfaktor ergibt sich aus
dem Verhältnis der beiden Sensorsignale von S2 zu U2(t3)/U2(t2). Bei einer Änderung des
Stromes ist in Gleichung 3) I2 mit diesem Korrekturfaktor zu multiplizieren.
Die ermittelten Werte werden in dem Steuergerät abgespeichert. Zum Zeitpunkt t3 wird ent
sprechend Gleichung 4) dem Sensorsignal U1(t3) der Strom I1(t3) zugeordnet und als erstes
Wertepaar fur den Sensor S1 gespeichert.
Der Sensor S1 läßt sich nun kalibrieren, indem man in einem fünften Verfahrensschritt bei
einer veränderten Last, indem z. B. das Kraftfahrzeug gestartet wird, im Verbraucher
strompfad 2 den vorhergehenden Verfahrensschritt zu den Zeitpunkten t4 und t5 in gleicher
Reihenfolge wiederholt und somit zum Zeitpunkt t5 ein weiteres Wertepaar U1(t5) und I1(t5)
erhält. Bei unterstelltem linearen Verhalten des Sensors S1 ist der Sensor damit durch zwei
Wertepaar eindeutig kalibriert. Die Kalibrierung kann durch lineare Interpolation zwischen
dem erstem Wertepaar U1(t3) und I1(t3) sowie dem zweiten Wertepaar U1(t5) und I1(t5) vorge
nommen werden. Die lineare Interpolation wird im Steuergerät mit an sich bekannten Metho
den errechnet.
In einem letzten Schritt kann nun der Sensor S2 auf einfache Weise durch Differenzbildung
entsprechend dem Kirchhoffschen Knotensatz am Knoten K aus den vorkalibrierten Sensor
signalen der Sensoren S1 und S3 kalibriert werden.
Claims (10)
1. Vorrichtung zum Kalibrieren von Sensoren (S1, S2, S3) mit einer Batterie und einer über
einen Schalter (TG) zuschaltbaren zweiten Spannungsquelle (G), sowie einem Steuergerät
und mehreren elektrischen Verbrauchern (M) und einer über einen Schalter (TKS)
zuschaltbaren Konstantstromsenke (KS), wobei
der Batteriestrompfad (1) die Batterie und den zweiten Sensor (S1), der Verbraucherstrompfad (2) die Verbraucher (M) und den dritten Sensor (S2) und der Generatorstrompfad (3) die zweite Spannungsquelle (G) und den ersten Sensor (S3) enthalten, und die drei verschiedenen Strompfade (1, 2, 3) sich in einem gemeinsamen Knoten treffen,
und das Steuergerät über Datenleitungen mit den Sensoren (S1, S2, S3), mit dem Schalter (TG) für die zweite Spannungsquelle (G) und der zweiten Spannungsquelle (G) selbst und mit dem Schalter (TKS) für die Konstantstromsenke verbunden ist.
der Batteriestrompfad (1) die Batterie und den zweiten Sensor (S1), der Verbraucherstrompfad (2) die Verbraucher (M) und den dritten Sensor (S2) und der Generatorstrompfad (3) die zweite Spannungsquelle (G) und den ersten Sensor (S3) enthalten, und die drei verschiedenen Strompfade (1, 2, 3) sich in einem gemeinsamen Knoten treffen,
und das Steuergerät über Datenleitungen mit den Sensoren (S1, S2, S3), mit dem Schalter (TG) für die zweite Spannungsquelle (G) und der zweiten Spannungsquelle (G) selbst und mit dem Schalter (TKS) für die Konstantstromsenke verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Spannungsquelle ein Generator ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Spannungsquelle eine Batterie mit DC-
DC-Wandler ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Sensoren (S1, S2, S3)
Hallsensoren sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Steuergerät das
Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Generator (G) der Bordnetzgenerator eines
Kraftfahrzeuges ist.
7. Verfahren zur Kalibrierung von Stromsensoren (S1, S2, S3) mit einer Batterie und einer
über einen Schalter (TG) zuschaltbaren zweiten Spannungsquelle (G), sowie einem
Steuergerät und mehreren elektrischen Verbrauchern (M) und einer über einen Schalter
(TKS) zuschaltbaren Konstantstromsenke (KS), wobei der Batteriestrompfad (1) die
Batterie und den zweiten Sensor (S1), der Verbraucherstrompfad (2) die Verbraucher (M)
und den dritten Sensor (S2) und der Generatorstrompfad (3) die zweite Spannungsquelle
(G) und den ersten Sensor (S3) enthalten, und die drei verschiedenen Strompfade (1, 2, 3)
sich in einem gemeinsamen Knoten (K) treffen, wobei
in einem ersten Verfahrensschrift zunächst der Generatorstrompfad (3) stromlos gestellt wird und im Steuergerät der Nullpunktoffset (O3) von dem ersten Sensor (S3) bestimmt wird,
in einem zweiten Verfahrenschritt die Konstantstromsenke (KS) an den Generatorstrompfad (3) zugeschaltet wird und mit dem durch die Konstantstromsenke fließenden Strom in dem Steuergerät die Empfindlichkeit (E3) des ersten Sensors (S3) bestimmt wird,
in einem dritten Verfahrensschritt die Konstantstromsenke (KS) wieder vom Generatorstrompfad (3) abgeschaltet wird,
in einem vierten Verfahrensschritt eine bestimmte, minimale Anzahl von Verbrauchern (M) im Verbraucherstrompfad (2) zugeschaltet wird und zu einem ersten Zeitpunkt (t2) ein erstes Meßsignal (U1(t2)) des zweiten Sensors (S1) im Batteriestrompfad (1) und ein erstes Meßsignal (U2(t2)) des dritten Sensors (S2) im Verbraucherstrompfad (2) in dem Steuergerät abgespeichert wird und sodann durch Erregung der zweiten Spannungsquelle (G) das Meßsignal am zweiten Sensor (S1) invertiert wird und zu diesem zweiten Zeitpunkt (t3) ein zweites Meßsignal (U1(t3)) des zweiten Sensors (S1) und ein zweites Meßsignal (U2(t3)) des dritten Sensors (S2) im Steuergerät abgespeichert wird und sodann der zugehörige Stromwert (I1(t3)) zu diesem zweiten Zeitpunkt aus dem kalibrierten Meßsignal des ersten Sensors (S3) entsprechend dem Kirchhoffschen Knotensatz für den gemeinsamen Knoten (K) ermittelt wird und zusammen mit dem zugehörigen Sensorssignal (U1(t3)) als erstes Wertepaar im Steuergerät abgespeichert wird,
in einem fünften Verfahrensschritt der vierte Verfahrensschritt mit einer veränderten Last (M) im Verbraucherstrompfad (2) wiederholt wird und ein zweites Wertepaar für den zweiten Sensor (S1) aus dem Meßsignal (U1(t5)) und zugehörigem Stromwert (I1(t5)) in dem Steuergerät abgespeichert wird und der zweite Sensor (S1) durch lineare Interpolation des ersten Wertepaares und des zweiten Wertepaares kalibriert wird, in einem letzten Verfahrensschritt der dritte Sensor (S2) durch Differenzbildung entsprechend dem Kirchhoffschen Knotensatz am Knoten K aus den vorkalibrierten Sensorsignalen der ersten und zweiten Sensoren (S1 und S3) kalibriert wird.
in einem ersten Verfahrensschrift zunächst der Generatorstrompfad (3) stromlos gestellt wird und im Steuergerät der Nullpunktoffset (O3) von dem ersten Sensor (S3) bestimmt wird,
in einem zweiten Verfahrenschritt die Konstantstromsenke (KS) an den Generatorstrompfad (3) zugeschaltet wird und mit dem durch die Konstantstromsenke fließenden Strom in dem Steuergerät die Empfindlichkeit (E3) des ersten Sensors (S3) bestimmt wird,
in einem dritten Verfahrensschritt die Konstantstromsenke (KS) wieder vom Generatorstrompfad (3) abgeschaltet wird,
in einem vierten Verfahrensschritt eine bestimmte, minimale Anzahl von Verbrauchern (M) im Verbraucherstrompfad (2) zugeschaltet wird und zu einem ersten Zeitpunkt (t2) ein erstes Meßsignal (U1(t2)) des zweiten Sensors (S1) im Batteriestrompfad (1) und ein erstes Meßsignal (U2(t2)) des dritten Sensors (S2) im Verbraucherstrompfad (2) in dem Steuergerät abgespeichert wird und sodann durch Erregung der zweiten Spannungsquelle (G) das Meßsignal am zweiten Sensor (S1) invertiert wird und zu diesem zweiten Zeitpunkt (t3) ein zweites Meßsignal (U1(t3)) des zweiten Sensors (S1) und ein zweites Meßsignal (U2(t3)) des dritten Sensors (S2) im Steuergerät abgespeichert wird und sodann der zugehörige Stromwert (I1(t3)) zu diesem zweiten Zeitpunkt aus dem kalibrierten Meßsignal des ersten Sensors (S3) entsprechend dem Kirchhoffschen Knotensatz für den gemeinsamen Knoten (K) ermittelt wird und zusammen mit dem zugehörigen Sensorssignal (U1(t3)) als erstes Wertepaar im Steuergerät abgespeichert wird,
in einem fünften Verfahrensschritt der vierte Verfahrensschritt mit einer veränderten Last (M) im Verbraucherstrompfad (2) wiederholt wird und ein zweites Wertepaar für den zweiten Sensor (S1) aus dem Meßsignal (U1(t5)) und zugehörigem Stromwert (I1(t5)) in dem Steuergerät abgespeichert wird und der zweite Sensor (S1) durch lineare Interpolation des ersten Wertepaares und des zweiten Wertepaares kalibriert wird, in einem letzten Verfahrensschritt der dritte Sensor (S2) durch Differenzbildung entsprechend dem Kirchhoffschen Knotensatz am Knoten K aus den vorkalibrierten Sensorsignalen der ersten und zweiten Sensoren (S1 und S3) kalibriert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Sensoren (S1, S2, S3) in einem Kraftfahrzeug
eingebaut sind und im eingebauten Zustand kalibriert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem die zweite Spannungsquelle (G) ein
Generator ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem die zweite Spannungsquelle (G)
eine Batterie mit DC-DC-Wandler ist.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999147301 DE19947301C1 (de) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung von Sensoren |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999147301 DE19947301C1 (de) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung von Sensoren |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19947301C1 true DE19947301C1 (de) | 2001-07-05 |
Family
ID=7924145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1999147301 Expired - Fee Related DE19947301C1 (de) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung von Sensoren |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DE (1) | DE19947301C1 (de) |
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