DE3634854A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer einheitlichen kennlinie fuer sensoren - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer einheitlichen kennlinie fuer sensoren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer einheitlichen Kennlinie für Sensoren, die jeweils unmittelbar oder über eine nachgeschaltete Anordnung von einer veränderlichen Meßgröße abhängige Signale erzeugen.
Bei bestimmten Sensoren, die zum Beispiel für Hitzdraht- oder Heißfilmanemometer benötigt werden, ist es praktisch nicht möglich, die Sensoren mit übereinstimmenden Kennlinien zu fertigen. Gewöhnlich treten bei den Sensoren Exemplarstreuungen von etwa ±10% auf.
Aufgrund hoher Ansprüche an die Genauigkeit der Kennlinien und wegen des Austauschs der Sensoren, die in größeren Stückzahlen hergestellt werden, ist eine Korrektur der Kennlinien der Sensoren notwendig. Die Kennlinien vieler Sensoren sind nichtlinear. Bei der Weiterverarbeitung der Sensorsignale wird häufig eine Linearisierung benötigt. Es werden deshalb Schaltungen zur Linearisierung der Sensorausgangssignale eingesetzt. Es ist möglich, eine Korrektur mit der Linearisierung zu kombinieren. Wenn aber zwischen dem jeweiligen Sensor und einer weiterverarbeitenden Schaltung längere Übertragungs­ strecken notwendig sind (z.B. bei verfahrenstechnischen Anlagen oder auch in Fahrzeugen), kann es zweckmäßig sein, die Linearisierungs-Schaltung vom Sensor zu trennen, wenn dessen Kennlinienverlauf degressiv ist. Bei der Übertragung des nichtlinearen Signals machen sich dann vor allem im unteren Kennlinienbereich Störungen weniger bemerkbar.
Hitzdraht- und Heißfilmanemometer enthalten Brückenschaltungen. Durch Änderung der Brückenwiderstände kann die Übertemperatur des beheizten Widerstandes variiert werden. Hiermit ist eine Änderung des Offset und der Steigung der Kennlinie verbunden. Eine Entkopplung dieser beiden Größen sowie gezielte Änderungen in bestimmten Abschnitten der Kennlinie sind auf diese Weise nicht möglich. Bekannt ist eine Luftmassenmeßeinrichtung für Brennkraftmaschinen, bei der zur Korrektur eine einstellbare Diagonalspannung verwendet wird (DE-OS 31 06 508).
Bekannt sind auch analoge Korrekturmethoden für Meßumformer, bei denen das Spannungssignal des jeweiligen Sensors in Steigung und Offset getrennt verändert werden kann. Beispiele hierfür sind in der EP-A-01 72 440 angegeben. Um eine gezielte Änderung in bestimmten Abschnitten der Kennlinie vorzunehmen, kann ein Diodenfunktionsgenerator verwendet werden. Pro Kennlinienabschnitt werden eine Diode und zwei Widerstände benötigt. Der Schaltungsaufwand für die Korrektur und den Abgleich ist bei diesen analogen Methoden sehr hoch. Außerdem ergeben sich durch Bauteile Toleranzungenauigkeiten. Fehler in der Korrektur beeinflussen zudem unabhängig vom Umfang der Korrektur voll das Ergebnis ("technisches Messen atm", 1976, Heft 11, Seiten 349 bis 356).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Sensor, der unmittelbar oder über eine nachgeschaltete Anordnung von einer veränderlichen Meßgröße abhängige Signale erzeugt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die zu einer einheitlichen Kennlinie des Sensors führen und mit denen bei geringem Aufwand die Auflösung der Korrektur unabhängig von Bauteiletoleranzen verbessert und von der Korrektur hervorgerufene Fehler vermindert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die vom jeweiligen Sensor bzw. der diesem nachgeschalteten Anordnung abgegebenen Signale zuerst in digitale Werte umgesetzt werden, die dann größenabhängig mit Korrekturwerten verknüpft werden, die in analoge Signale umgewandelt werden, die anschließend den Signalen des Sensors bzw. der Anordnung vorzeichenrichtig hinzugefügt werden, wobei die Summe als korrigiertes Signal weiterverarbeitet wird. Bei diesem Verfahren ist das Signal des Sensors oder der diesem nachgeschalteten Anordnung ein Summand des korrigierten Signals. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß Fehler infolge der Korrektur nur das Korrektursignal beeinflussen können, das ein Bruchteil des Signals des Sensors bzw. der Anordnung ist. Daher sind diese Fehler für das korrigierte Signal vernachlässigbar klein. Die Auflösung der Korrektur kann durch entsprechende digitale Werte ohne großen Aufwand verbessert werden. Außderdem wirken sich Bauteiletoleranzen nicht ungünstig auf die Korrekturwerte aus.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform werden die digitalen Signale als Adressen einem Speicher zugeführt, der der einheitlichen Kennlinie entsprechende Korrekturwerte enthält und dessen ausgelesene Werte zuerst in analoge Spannungswerte und danach in Stromwerte umgewandelt werden. Bei diesem Verfahren hängt die Schnelligkeit der Korrektur des Signals des Sensors bzw. der Anordnung im wesentlichen von der Geschwindigkeit der Analog-Digital-Umwandlung ab. Falls notwendig, kann ein nach dem Parallelverfahren arbeitender Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt werden, so daß die korrigierten Signale sehr schnell zur Verfügung stehen. Die Stromwerte können vorzugsweise als eingeprägte Ströme über Leitungen zu Verarbeitungseinheiten fernübertragen werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Sensor bzw. eine diesem nachgeschaltete Anordnung mit dem oder den Eingängen eines Analog-Digital-Umsetzers verbunden ist, dessen Ausgänge an die Adresseneingänge eines Speichers angeschlossen sind, in dem adressenabhängig Korrektur-Digital-Werte zur Erzeugung einer einheitlichen Kennlinie für den Sensor gespeichert sind und dessen Ausgänge mit einem Digital-Analog- Umsetzer verbunden sind, dessen Ausgangssignale dem Signal des Sensors oder der Anordnung überlagert sind. Es werden die Sensorsignale digital korrigiert. Abhängig vom momentanen Sensorsignal wird ein digitaler Korrekur-Wert erzeugt, der nach der Digital-Analogumwandlung dem Sensorsignal hinzugefügt wird. Die Auflösung des Sensorsignalwerts und des Korrekturwerts kann beliebig hoch gewählt werden. Zweckmäßig ist eine Auflösung von 8 Bit.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, eine an sich bekannte elektronische Regelschaltung eines Hitzdraht- bzw. Heißfilmanemometers mit einer entsprechenden Korrekturschaltung zu verbinden. Ein temperaturabhängiger Widerstand - in thermischem Kontakt mit einem strömenden Medium - ist Bestandteil einer Brückenschaltung, deren Diagonalspannung an einen Differenzverstärker angeschlossen ist, der über ein Stellglied die Betriebsspannung der Brücke so beeinflußt, daß der temperaturabhängige Widerstand auf konstante Temperatur beheizt wird. Diese Heizung kompensiert die strömungsabhängige Kühlung durch das Medium. Die Anordnung eignet sich zur Messung des Massenstroms. Als Maß dient der Strom durch die Brücke. Eine zu diesem Strom proportionale Spannung ist an den oder die Eingänge des Analog-Digital-Umsetzers der Korrekturschaltung gelegt. Unterschiede in den Kennlinien verschiedener temperaturabhängiger Widerstände werden durch unterschiedliche digitale Korrekturwerte ausgeglichen. Einem bestimmten temperaturabhängigen Widerstand entspricht eine bestimmte Korrekturwert-Tabelle. Beim Austausch des temperaturabhängigen Widerstands werden die Korrekturwerte geändert. Dies kann z.B. durch eine neue Programmierung des Festwertspeichers erfolgen, wenn dieser ein EPROM ist. Es können auch die Festwertspeicher ausgetauscht werden. Aufgrund der einheitlichen Kennlinien ist in den nachgeschalteten Geräten eine schnellere und leichtere Verarbeitung der Sensorsignale möglich.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist das Stellglied ein Stromregler in Reihe mit der Brückenschaltung, wobei im Speicher die Korrekturwerte der Kennlinie gespeichert sind und wobei der Ausgangsstrom des Spannungs-Strom-Wandlers dem über die Brückenschaltung fließenden Strom überlagert ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der gesamte Strom als eingeprägter Strom zur Verfügung gestellt wird, der über eine Zweidrahtleitung übertragen werden kann.
Vorzugsweise sind im Speicher adressenabhängig Korrekturwerte kombiniert mit Werten zur Linearisierung der Kennlinie gespeichert. Mit dieser Maßnahme können einerseits die Bauteiletoleranzen der Sensoren ausgeglichen und andererseits deren Kennlinien linearisiert werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und auch Vorteile ergeben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung von strömenden Medien nach dem Meßprinzip eines thermischen Anemometers und
Fig. 2 Einzelheiten der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.
ln Fig. 1 ist mit (1) der prinzipielle Aufbau der Regelschaltung eines Hitzdraht- oder Heißfilmanemometers dargestellt. Ein temperaturabhängiger Widerstand (2) und weitere Widerstände (3, 4, 5) sind in an sich bekannter Weise Bestandteil einer Brückenschaltung. Die Brückendiagonale ist mit dem Eingang eines Differenzverstärkers (6) verbunden, dessen Ausgang an die Basis eines Transistors (10) angeschlossen ist. Der Anschluß (9) der Brückenschaltung ist über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (10) an eine Leitung (11) angeschlossen, die mit dem positiven Pol (12) einer Betriebsspannungsquelle (24) verbunden ist. Der negative Pol (13) der Betriebsspannungsquelle (24) ist über eine Leitung (14) mit dem anderen Anschluß (8) der Brückenschaltung verbunden.
Der Abgriff zwischen dem in einer Brückenhälfte angeordneten temperaturabhängigen Widerstand (2) und dem Widerstand (3) ist nicht nur an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (6), sondern auch an den Eingang (19) einer digitalen Korrekturschaltung (15) angeschlossen, die ferner über einen Eingang (16) mit der Leitung (11) und über einen Ausgang (17) mit der Leitung (14) verbunden ist.
Bei dem temperaturabhängigen Widerstand (2) handelt es sich vorzugsweise um einen Hitzdraht oder Heißfilm. Er wird durch den Strom I H beheizt und gleichzeitig durch das strömende Medium, dargestellt durch die Pfeile (18), strömungsabhängig gekühlt. Die Regelschaltung (1) steuert den Strom I H so, daß der temperaturabhängige Widerstand (2) auf konstante Temperatur geregelt wird. Zur Kompensation von Änderungen der Temperatur des strömenden Mediums verwendet man für den Widerstand (4) vorzugsweise einen temperaturabhängigen Widerstand mit geeignetem Temperaturkoeffizienten, der sich ebenfalls in thermischem Kontakt mit dem strömenden Medium befindet. Bei bekanntem Strömungsquerschnitt, in dem sich der beheizte Widerstand (2) befindet, ist der Brückenstrom I B ein Maß für den Massenstrom, der durch diesen Strömungsquerschnitt fließt.
Die digitale Korrekturschaltung (15) verknüpft den momentanen Spannungswert an ihrem Eingang (19), der dem jeweiligen Brückenstrom I B proportional ist, mit einem Korrekturstrom I K . Die Summenbildung im Knotenpunkt (27) aus Brückenstrom I B und Korrekturstrom I K ergibt den Signalstrom I S , der dem einer einheitlichen Kennlinie unabhängig von Bauteiltoleranzen z.B. des temperaturabhängigen Widerstands (2) entspricht. Dieser Strom I S wird als eingeprägter Strom übertragen und in der Betriebsspannungsquelle (24) durch einen Stromfühler (26) erfaßt und weiterverarbeitet.
Die digitale Korrekturschaltung (15), die in Fig. 2 im einzelnen dargestellt ist, enthält einen mit der Regelschaltung (1) über einen Eingang (19) verbundenen Analog-Digital-Umsetzer (20), dessen Ausgangssignale Adressen für einen Speicher (21) sind, in dem sich, den jeweiligen Adressen zugeordnet, digitale Korrekturwerte befinden. Die Korrekturwerte ergänzen die Meßwerte zu einer einheitlichen Kennlinie, die nicht mehr von Bauteiletoleranzen abhängig ist. Vorzugsweise sind im Speicher (21) kombiniert mit den Korrekturwerten auch Werte enthalten, über die die Kennlinie linearisiert wird. Vom Aufwand her ist günstig, einen Analog-Digital-Umsetzer (20) mit einer Datenbreite von 8 Bit zu verwenden, so daß das Signal am Eingang (19) in 28=256 Stufen quantisiert wird, was für die meisten Anwendungsfälle ausreichend genau ist. Es können bedarfsweise jedoch auch größere Datenbreiten verwendet werden. Die Ausgangssignale des Analog-Digital-Wandlers (20) beaufschlagen die Adresseneingänge des Speichers (21), der vorzugsweise ein EPROM ist, dessen Ausgänge mit Eingängen eines Digital-Analog- Umsetzers (22) verbunden sind. Dem Umsetzer (22) ist ein Spannungs-Strom-Wandler (23) nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Ausgang (17) der Korrekturschaltung (15) verbunden ist.
Der Speicher (21) enthält somit eine adressierbare Tabelle, in der jedem quantisierten Wert des Sensorsignals ein Korrekturwert und, falls erwünscht, ein Linearisierungswert zugeordnet ist.
Der nachgeschaltete Digital-Analog-Umsetzer (22) und der Spannungs-Strom-Wandler (23) erzeugen aus diesem Korrekturwert den analogen Korrekturstrom I K .
Die Korrekturtabelle wird für jede Regelschaltung (1) mit ihrem speziellen temperaturabhängigen Widerstand (2) individuell erstellt. Hierfür wird in mehreren Massenstrompunkten der Brückenstrom I B gemessen und daraus durch Interpolation zwischen den Meßpunkten eine Kennlinientabelle erstellt, die eine vorgegebene Auflösung von vorzugsweise 8 Bit im Brückenstrom aufweist. Durch Vergleich mit einer vorgegebenen Sollkennlinie wird für jeden Stromwert der Kennlinientabelle ein Korrekturwert ermittelt. Dadurch erhält man eine Korrekturtabelle derselben Auflösung, z.B. 8 Bit. Diese Korrekturtabelle wird in einem Speicher, z.B. einem EPROM gespeichert. Es kann auch ein PROM oder EEPROM verwendet werden.
Wenn die Kennlinie ein nicht verschwindendes Nullsignal aufweist, wird vorzugsweise zur Verbesserung der Auflösung dem Analog-Digital-Umsetzer (20) ein Differenzverstärker vorgeschaltet, der von der Sensorspannung eine einstellbare Offset-Spannung abzieht. Es kann auch ein Analog-Digital- Umsetzer mit einem Differenzeingang verwendet werden.
Die Vorteile der oben beschriebenen digitalen Korrektur durch Stromaddition sind:
Der über die Brückenschaltung fließende Strom I B geht direkt als Summand in das Ausgangssignal I S ein. Fehler durch die Korrektur können sich nur auf den Korrekturstrom I K auswirken, der selbst nur einen Bruchteil des Ausgangsstroms I S darstellt. Daher sind diese Fehler vernachlässigbar klein. Die Auflösung der Korrektur wird ohne großen Schaltungs- und Abgleichaufwand verbessert. Die Genauigkeit der Korrektur wird nicht durch Bauteiletoleranzen beschränkt. Der Sensor ist bei der oben beschriebenen Vorrichtung der temperaturabhängige Widerstand (2). Es können jedoch auch andere Meßwertumformer als Sensoren eingesetzt werden. Häufig werden die Sensorsignale zuerst einer Schaltungsanordnung, z. B. einem Vorverstärker, zugeführt, bevor sie die digitale Korrekturschaltung beaufschlagen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erzeugung einer einheitlichen Kennlinie für Sensoren, die jeweils unmittelbar oder über eine nachgeschaltete Anordnung von einer veränderlichen Meßgröße abhängige Signale erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die vom jeweiligen Sensor bzw. der diesem nachgeschalteten Anordnung abgegebenen Signale zuerst in digitale Werte umgesetzt werden, die dann größenabhängig mit Korrekturwerten verknüpft werden, die in analoge Signale umgewandelt werden, die anschließend den Signalen des Sensors bzw. der Anordnung vorzeichenrichtig hinzugefügt werden, wobei die Summe als korrigiertes Signal weiterverarbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Signale als Adressen einem Speicher zugeführt werden, der der einheitlichen Kennlinie entsprechende Korrekturwerte enthält und dessen ausgelesene Werte zuerst in analoge Spannungswerte und danach in Stromwerte umgewandelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwerte als eingeprägte Ströme über Leitungen fernübertragen werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor bzw. eine diesem nachgeschaltete Anordnung mit dem oder den Eingängen (19) eines Analog-Digital- Umsetzers (20) verbunden ist, dessen Ausgänge an die Adresseneingänge eines Speichers (21) angeschlossen sind, in dem adressenabhängig Korrektur-Digitalwerte zur Erzeugung einer einheitlichen Kennlinie für den Sensor gespeichert sind und dessen Ausgänge mit einem Digital-Analog-Umsetzer (22) verbunden sind, dessen Ausgangssignale den Signalen des Sensors oder der diesem nachgeschalteten Anordnung überlagert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Zweig einer Brückenschaltung (1) ein beheizbarer Widerstandstemperaturfühler (2) angeordnet ist,
daß die Brückendiagonale an einen Differenzverstärker (6) angeschlossen ist, dem ein die Betriebsspannung der Brückenschaltung beeinflussendes Stellglied nachgeschaltet ist
und daß der beheizbare Widerstandstemperaturfühler (2) mit dem oder den Eingängen (19) des Analog-Digital-Umsetzers (20) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Stromregler in Reihe mit der Brückenschaltung ist, daß im Speicher (21) die Korrekturwerte der Kennlinie gespeichert sind und daß der Ausgangsstrom des Spannungs-Strom-Wandlers (23) dem über die Brückenschaltung fließenden Strom überlagert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher (21) adressenabhängig Korrekturwerte kombiniert mit Werten zur Linearisierung der Kennlinie gespeichert sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem bzw. den Eingängen (19) des Analog-Digital- Umsetzers (20) ein Differenzverstärker vorgeschaltet ist, der vom Ausgangssignal des Widerstandstemperaturfühlers (2) eine einstellbare Offset-Spannung abzieht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandstemperaturfühler (2) Bestandteil eines eine Regelschaltung enthaltenden Hitzdraht- oder Heißfilmanemometers ist, und daß eine dem Brückenstrom proportionale Spannung an den oder die Eingänge des Analog-Digital-Umsetzers (19) gelegt ist.
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