DE3212611C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind Sensoren bekannt, bei denen das Sensorsignal wenigstens näherungsweise linear vom Meßwert abhängt. Solche Sensoren werden beispielsweise in einem Firmenprodukt der Firma Motorola mit dem Titel: "X-Ducer", Piezoresistive Pressure Sensor und dem Datenblatt des Sensors MPX 100 A beschrieben.

Bei solchen Sensoren weicht das Sensorsignal bei nicht beaufschlagtem Sensor (Meßwert = Null) üblicherweise von Null ab; diese Abweichung wird als Offset bezeichnet. Üblicherweise weist das Ausgangssignal der bekannten Sensoren nicht nur einen Offset auf, sondern es ist auch temperaturabhängig, wobei sowohl der Offset temperaturabhängig ist als auch die Steigung der ansonsten näherungsweise linearen Kennlinie des Ausgangssignals. Da jedoch der Temperaturkoeffizient des Offsets und der der Steigung normalerweise voneinander verschieden sind, ist eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Sensorausgangssignales sehr aufwendig. Es ist daher erforderlich, eine Meßschaltung aufzubauen, die eine Vielzahl von Potentiometern aufweist, mit denen Kennlinien in der Meßschaltung erzeugt werden, die die vorstehend genannten Temperaturkoeffizienten kompensieren.

Bei den z. B. aus dem Firmenprospekt von Motorola bekannten aufwendigen Schaltungsanordnungen muß bei einer Vielzahl von Abgleichmitteln bei der Verstellung des einen Abgleichmittels auch eine Verstellung anderer Abgleichmittel erfolgen, so daß ein korrekter Abgleich nur nach regelungstechnischen Strategien möglich ist. Die Komplexität derartiger Anordnungen bringt darüber hinaus die Gefahr weiterer Temperaturabhängigkeiten mit sich.

Eine weitere Einrichtung mit einer Temperaturkompensationsschaltung für einen elektrischen Meßwertgeber ist beispielsweise aus der DE-OS 26 52 314 bekannt. Mit der bekannten Einrichtung ist es möglich, einen beliebigen unerwünschten Temperaturkoeffizienten eines elektrischen Meßwertgebers zu kompensieren, diese Kompensation bezieht sich jedoch nur auf die Kennliniensteigung, von einer Kompensation eines Offsets ist nicht die Rede.

Aus der DE-OS 26 30 958 ist schließlich ein Fehlerkompensationsverfahren für Meßgeräte zur Erfassung analoger elektrischer Größen bekannt, bei dem Korrekturwerte ermittelt, abgespeichert und bei der Berechnung der endgültigen Meßwerte mitberücksichtigt werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Mitteln des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine exakte Berechnung des temperaturbereinigten Meßwertes aus der Kenntnis von nur wenigen, langzeitstabilen Grundgrößen möglich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. So kann durch geeignete Auswahl der auszuwertenden Beziehung sowie durch geeignete Zuführung der Einflußgrößen eine besonders einfache Kompensation mit einer, einen Mikrocomputer enthaltenden Auswerteschaltung vorgenommen werden.

Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Auswerteschaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 sind verschiedene, nahezu lineare Kennlinien 10, 11, 12, 13 eines Sensors dargestellt. Mit x wird dabei die Meßgröße, beispielsweise ein Druck, eine Kraft, eine Beschleunigung, eine Masse der dgl. bezeichnet, mit U_{(x, T)} ist das Sensorsignal bezeichnet, das sich in Abhängigkeit von der Meßgröße x und der herrschenden Umgebungstemperatur T ändert.

Die Kennlinien 10, 11, 12, 13 lassen sich durch den sogenannten Offset (U_Off) sowie die Steigung k definieren, wie sie beispielhaft für die Kennlinie 12 eingetragen sind. Beide Größen U_Off, k haben jeweils einen Temperaturkoeffizienten, so daß bei einer Parametrierung nach der Temperatur T sich eine Kennlinienschar ergibt, die mit 10, 11, 12, 13 in Fig. 1 dargestellt ist.

Für eine beliebige Kennlinie gilt:

U(_{x, T)} = U_Off + kx

Ändert sich die Temperatur um einen Betrag Δ T, gilt:

U_{(x, T)}′ = (U_Off + TK_Off Δ T) + (k + TK_k Δ T) x

Der Schnittpunkt der beiden Kennlinien ergibt sich aus:

U′-U = 0

woraus für den zugehörigen Abszissenwert folgt:

x = -TK_Off/TK_k

Dies bedeutet, daß sich alle derartigen Kennlinien in einem Punkt schneiden, sofern nur der Quotient der Temperaturkoeffizienten von Offset und Steigung eine Konstante ist. Für diesen Fall ergibt sich die in Fig. 1 dargestellte Kurvenschar, wobei der gemeinsame Punkt mit 14 bezeichnet ist und die Koordinaten U₀, x₀ aufweist.

Diese Eigenschaften macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zu Nutze, um aus einem beliebigen Sensorsignal U_{(x, T)} den zugehörigen Meßwert x_(T) zu ermitteln. Dies soll nachstehend anhand von Fig. 2 erläutert werden:

Fig. 2 stellt auf den Fall eines Drucksensors ab, bei dem sich die Sensorspannung U_{(P, T)} in Abhängigkeit vom herrschenden Druck P und der Umgebungstemperatur T einstellt. Der Schnittpunkt 14 der Kennlinienschar hat die Koordinaten U₀, P₀, die für einen bestimmten Sensor ermittelbar sind. Bei einer bestimmten Temperatur gibt der Sensor die Spannung U_T ab. Um nun den jeweiligen Meßpunkt 15 bzw. den Meßwert P_T zu ermitteln, wird davon ausgegangen, daß sich der Abszissenwert des Punktes 15, entsprechend P_T aus der bekannten temperaturabhängigen Steigung k, den Koordinaten des Punktes 14 und dem Sensorsignal U_T ermitteln läßt. Für die Steigung k gilt:

k = k₀ (1 + TK_k Δ T)

Dabei bedeutet k₀ die Steigung der Kennlinie bei einer Bezugstemperatur, auf die die relative Temperatur Δ T bezogen ist.

Für den Abszissenwert des Punktes 15 gilt:

P_T = P₀ + (U_T-U₀)/k bzw.

P_T = P₀ + (U_T-U₀)/k₀ (1 + TK_k Δ T)

Fig. 3 zeigt hierzu eine Auswerteschaltung, mit der eine Temperaturkompensation nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren ausführbar ist. Die Auswerteschaltung enthält einen Mikrocomputer 20, der mit einer nicht näher erläuterten Eingang/Ausgangsschaltung 21 in Wirkungsverbindung steht. Außerdem sind ein Speicher 22 sowie ein Analog/Digital-Wandler 23 vorgesehen, wobei die Blöcke 20, 22, 23 in an sich bekannter Weise über einen Datenbus 24 und einen Adreßbus 25 miteinander verbunden sind. Die Eingangsgrößen werden dem Analog/Digital-Wandler 23 über Sensoren 26, 27 zugeführt, wobei der Sensor 26 der eigentliche Meßwertsensor, beispielsweise ein Drucksensor ist und das Sensorsignal U_{(P, T)} liefert. Der Sensor 27 ist ein Temperatursensor, der mit dem eigentlichen Meßsensor 26 in enger Nachbarschaft angeordnet ist, wie dies mit 28 angedeutet ist. Der Temperatursensor 27 liefert ein Signal U_(T), das der Sensortemperatur entspricht.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die Koordinaten U₀, x₀ des Punktes 14 dem Analog/Digital-Wandler 23 über Potentiometer 29, 30 zugeführt. Bei jeder Kompensationsrechnung wird dann der Analog/Digital-Wandler 23 abgefragt, und die Werte von U₀ und x₀ werden bei der Temperaturkompensation jeweils berücksichtigt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß die Werte U₀, x₀ auch zu einem späteren Zeitpunkt noch nachgestellt werden können, beispielsweise dann, wenn der Sensor 26 ersetzt wird.

Dies gilt auch für eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Werte U₀, x₀ dem Mikrocomputer 20 an Schalteingängen direkt als digitales Signal zugeführt werden, wie dies mit 31 angedeutet ist.

Schließlich ist in einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Auswerteschaltung vorgesehen, die Werte U₀, x₀ im Speicher 22 abzulegen, wie dies mit 32 angedeutet ist. Hierdurch ist ein besonders schneller Signalzugriff bei minimaler Störanfälligkeit gegeben, was vorteilhafterweise dann ausgenutzt werden kann, wenn sich die Werte U₀, x₀ nicht ändern.

Es versteht sich, daß das vorstehend beschriebene Verfahren und die zugehörige Auswerteschaltung nicht auf Drucksensoren beschränkt ist, sondern mit Vorteil bei allen temperaturabhängigen Sensoren eingesetzt werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Temperaturkompensation eines Sensorsignales bei Sensoren für eine Größe P mit einer Kennlinie (10, 11, 12, 13), deren Wert (U_Off) im nicht beaufschlagten Zustand (Offset) einen ersten Temperaturkoeffizienten (TK_Off) und deren Steigung (k) einen zweiten Temperaturkoeffizienten (TK_k) aufweist, wobei der Quotient der Temperaturkoeffizienten näherungsweise konstant ist und der Punkt (14) ermittelt wird, in dem sich die Kennlinien (10, 11, 12, 13) bei unterschiedlicher Temperatur (T) schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten (U₀, P₀) des Punktes (14), das Sensorsignal (U_{(P, T)}) und die Sensortemperatur (Δ T) ermittelt werden und daß der Meßwert (P_(T)) aus den vorgenannten Größen nach der Formel bestimmt wird, wobei k₀ die Steigung der Kennlinie für eine bezogene Temperatur darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensation mit einer wenigstens einen Mikrocomputer (20) und einen Analog/Digital-Wandler (23) enthaltenden Auswerteschaltung ausgeführt wird und daß die Koordinaten des Punktes (14) dem Analog/Digital-Wandler (23) über Potentiometer (29, 30) zugeführt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensation mit einer wenigstens einen Mikrocomputer (20) und einen Analog/Digital-Wandler (23) enthaltenden Auswerteschaltung ausgeführt wird und daß die Koordinaten des Punktes (14) dem Mikrocomputer (20) direkt als digitale Signale (31) zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensation mit einer wenigstens einen Mikrocomputer (20), einen Analog/Digital-Wandler (23) und einen Speicher (22) enthaltenden Auswerteschaltung ausgeführt wird und daß die Koordinaten des Punktes (14) als Festwerte (32) im Speicher (22) abgelegt sind.