DE3705900A1

DE3705900A1 - Verfahren zur selbstueberwachung von messwertaufnehmern

Info

Publication number: DE3705900A1
Application number: DE19873705900
Authority: DE
Inventors: Fritz Breimesser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-02-24
Filing date: 1987-02-24
Publication date: 1988-09-01
Also published as: JPH01219517A; JPH0789065B2; US4896525A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Selbstüberwachung von Meßwertaufnehmern gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zur Steuerung und Überwachung physikalischer Meßgrößen werden in der modernen Meß- und Automatisierungstechnik in zunehmendem Maße Aufnehmer oder Sensoren eingesetzt, die eine physikalische Meßgröße, wie z. B. den Druck oder die Temperatur in ein elektrisches Signal umwandeln, das in nachfolgenden elektronischen Prozeßschritten weiterverarbeitet werden kann. Dabei entsteht ein zunehmender Bedarf an Aufnehmern und nachgeschalteten Signalverarbeitungsystemen, die in der Lage sind auftretende Fehlfunktionen des Aufnehmers selbst zu erkennen und deren Auswirkung weitgehend zu reduzieren. Derartige Fehlfunktionen können durch den Aufnehmer selbst, beispielsweise durch eine Veränderung seiner Empfindlichkeit und seines Nullpunkts, verursacht sein. Eine wichtige Fehlerquelle kann jedoch auch in der Ankopplung des Aufnehmers an die physikalische Meßgröße liegen. Eine Überwachung auf Fehlfunktionen der gesamten Meßkette, die den Aufnehmer und die nachgeordneten Signalverarbeitungssysteme beinhaltet, ist dabei um so vorteilhafter, je näher sie am Eingang der gesamten Meßkette eingreift.

Aus der DE-AS-24 37 438 ist beispielsweise ein Verfahren zur Steigerung der Genauigkeit analoger Meßvorgänge bekannt, bei dem am Eingang einer analogen Meßkette nacheinander mindestens zwei genau bekannte Kalibrierwerte angelegt werden. Diese werden über die Meßkette einem digitalen System zugeführt und dort in digitaler Form gespeichert. Mit diesen Kalibrierwerten, die vorzugsweise in Form der zu messenden physikalischen Größe am Eingang des Meßwertaufnehmers der Meßkette eingegeben werden, können die Übertragungseigenschaften der gesamten analogen Meßkette charakterisiert werden. Damit ist eine genaue Zuordnung definierter physikalischer Werte zu den beim Meßvorgang gespeicherten digitalen Meßsignalen möglich. Am Eingang der Meßkette sind dazu wenigstens zwei Kalibrierwerte anzulegen, von denen der eine Kalibrierwert zweckmäßigerweise dem unbelasteten Zustand und der andere dem Vollausschlag des Meßwertaufnehmers entspricht. Zur Erfassung von Lineartitätsfehlern ist zusätzlich die Speicherung mehrerer Kalibrierwerte vorgesehen.

Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es jedoch erforderlich, die Meßkette am Eingang des Meßwertaufnehmers physikalisch aufzutrennen, d. h. die Kopplung der Meßgröße an den Eingang des Meßwertaufnehmers muß unterbrochen werden und anstelle der zu messenden physikalischen Größe muß am Eingang des Meßwertauf nehmers eine physikalisch gleichwertige Kalibriergröße angelegt werden.

Eine derartige physikalisch aufgetrennte Meßkette ist beispielsweise aus "VDI-Bericht Nr. 566, Automatische Meßsysteme, VDI- Verlag Düsseldorf, 1985" bekannt. Dort ist auf den Seiten 361 und 362 ein induktiver Relativwegaufnehmer offenbart, der durch einen Kalibrierzusatz ergänzt ist. Der Magnetkern des induktiven Aufnehmers ist in der Tastspitze axial verschiebar gelagert. Während des normalen Meßvorgangs wird er durch einen Permanentmagneten gegenüber der Tastspitze fixiert. Zum Kalibrieren wird die Magnetspule erregt und der Magnetkern axial an den Anschlag gezogen. Der bekannte Verschiebeweg liefert der Meßkette ein Sprungsignal, das bei linearer Kennlinie des Aufnehmers den Übertragungsfaktor in mV/mm angibt.

Die physikalische Auftrennung der Meßkette durch ein Entkoppeln des Meßwertaufnehmers von der zu messenden physikalischen Größe erfordert jedoch einen erhöhten konstruktiven Aufwand. Außerdem besteht während der Zeitdauer des Kalibriervorgangs kein Zugriff zur eigentlich zu messenden physikalischen Größe und die Ankopplung des Meßwertaufnehmers an die physikalische Meßgröße kann nicht überwacht werden.

In "Chohan, R. K.; Abdullah, F., Transducer Tempcon Conf. Papers, Tavistock 1983, Seiten 1 bis 10" ist ein Verfahren zur Selbstüberwachung eines Temperatursensors offenbart, bei dem die Kopplung des Sensors an die zu messende physikalische Größe auch während des Überwachungsvorgangs aufrechterhalten bleibt. Durch kurrzeitige Erhöhung des Stromes durch den Temperatursensor auf ein Vielfaches des Normalwertes wird der Temperatursensor lokal aufgeheizt und das dynamische Verhalten des Meßsignals vermittelt Informationen über den Sensor und seine thermische Ankopplung an das zu messende Medium. Eine quantitative Bestimmung der Empfindlichkeit des Sensors ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich, da aus dem zeitlichen Verhalten des Meßsignals die Information über die Empfindlichkeit des Sensors von der Information über den thermischen Kontakt des Sensors an das ihn umgebende Medium nicht getrennt werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Selbstüberwachung von Meßwertaufnehmern anzugeben, das bei physikalisch nicht aufgetrennter Meßkette eine Selbstüberwachung des Meßwertaufnehmers ermöglicht, die einer quantitativen Kalibrierung weitestgehend nahekommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch eine Modulation der physikalischen Meßgröße können die Eigenschaften der wahren Kennlinie des Meßwertaufnehmers in der Umgebung des wahren Wertes der physikalischen Meßgröße während des Betriebs des Meßwertaufnehmers untersucht werden. So kann beispielsweise durch einen einzigen zusätzlichen Modulationsschritt bzw. zwei Modulationsschritte, wenn die Messung der unmodulierten Meßgröße als erster Modulationsschritt gezählt wird, das Steigungsverhalten der Kennlinie, d. h. die Empfindlichkeit des Meßwertaufnehmers ermittelt werden. Diese Information reicht in vielen Fällen bereits aus, eine Aussage über die Zuverlässigkeit der Meßwerte treffen zu können. Bei Aufnehmern mit linearer Kennlinie kann beispielsweise mittels eines einzigen Modulationsschrittes bereits die Steigung der Kennlinie quantitativ bestimmt werden.

Bei der vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 ist die funktionale mathematische Gestalt der Kennlinie bis auf die Parameter bekannt und mit Hilfe dieses Verfahrens können sowohl der wahre Wert der Meßgröße als auch die Parameter der Kennlinie durch Modulation der Meßgröße ermittelt werden. Damit läßt sich die Kennlinie des Aufnehmers im dynamischen Betrieb ermitteln und eine physikalische Auftrennung der Meßkette ist nicht erforderlich. Die Anzahl der notwenigen Modulationsschritte wird durch die Anzahl der für die Beschreibung der Kennlinie des Aufnehmers notwendigen Parameter festgelegt. Voraussetzung für die Durchführbarkeit des Verfahrens ist dabei, daß die Fehlerquellen die mathematische Grundstruktur der Kennlinie unverändert lassen.

Besonders vorteilhaft ist dabei ein Verfahren, bei dem die Modulation symmetrisch, beispielsweise in Form einer Schwingung oder mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Schwingungen mit unterschiedlichen Amplituden um den Betrag der Meßgröße herum erfolgt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Blockschaltbildes veranschaulicht ist. In

Fig. 2 ist ein Beispiel zweier Kennlinien eines Meßwertaufnehmers unter verschiedenen Betriebsbedingungen in einem Diagramm aufgetragen und in

Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Meßwertaufnehmers zur Druckmessung, der zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, schematisch dargestellt.

Gemäß Fig. 1 ist einem Meßwertaufnehmer 2 zur Erfassung des Wertes x₀ einer Meßgröße ein Aktor 4 zugeordnet, der der Meßgröße an einem Überlagerungsort 6 eine Modulationsgröße h _i additiv überlagert. Der Überlagerungsort 6 befindet sich am Eingang des Meßwertaufnehmers 2. Der Meßwertaufnehmer 2 setzt die durch additive Überlagerung entstandene modulierte Meßgröße, deren Wert x + h _i beträgt, in das Meßsignal y _i beispielsweise in Form eines elektrisches Signals, beispielsweise einer Analogspannung, um, die dann in einem Analog-Digital-Wandler 8 digitalisiert und einer Auswerte- und Steuereinheit 10 zugeführt wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 führt die erforderliche mathematische Auswertung der Meßsignale durch und stellt Steuersignale für den Aktor 4 bereit, die den zeitlichen Ablauf der erforderlichen Modulationsschritte und der zugehörigen Modulationsamplituden regeln. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 ist noch mit einem analogen oder digitalen Ausgang 12 zur Darstellung des Meßwertes x und mit weiteren Ausgängen 14 für Statussignale versehen, die den Betriebszustand des Meßwertaufnehmers 2 charakterisieren.

In Fig. 2 ist das Meßsignal y am Ausgang eines Meßwertaufnehmers gegen x aufgetragen, wobei x ein möglicher Wert der physikalischen Größe ist. Die Meßgröße kann beispielsweise eine mechanische Größe, beispielsweise ein Druck, oder eine optische Größe, beispielsweise ein Lichtstrom, oder eine elektrische Größe, beispielsweise ein Magnetfeld sein. In der Figur sind zwei Kennlinien 30 und 32 dargestellt, von denen sich beispielsweise die Kennlinie 30 bei der Kalibrierung des Meßwertaufnehmers ergeben hat. Die Kennlinie 32 stellt die aktuelle Kennlinie des Meßwertaufnehmers dar, die sich im Laufe des Betriebs beispielsweise durch Nullpunktdrift und Empfindlichkeitsänderung ergeben hat. Am Meßwertaufnehmer liegt beispielsweise der wahre Wert x₀ der Meßgröße x an und führt zum Meßsignal y₀ am Ausgang des Meßwertaufnehmers. Wird bei der Ermittlung des Wertes x die Kennlinie 30 zugrundegelegt, so entspricht das Meßsignal y₀ einem Meßwert x₀* x₀. Wird nun das Verhalten des Meßwertaufnehmers in der Umgebung von x₀ untersucht, indem der Meßgröße additiv und zeitlich nacheinander ein bekannter Betrag h₂ überlagert und das entsprechende Meßsignal ermittelt wird, so ist im Beispiel der Figur zu erkennen, daß die auf der Grundlage der Kennlinie 30 ermittelte Differenz x₂* - x₀* mit der wahren Differenz x₀ + h₂ - x₀ = h₂ nicht übereinstimmt, da die Kennlinie 30 im Bereich um y₀ steiler verläuft als die Kennlinie 32. Diese Information reicht bereits aus, eine Aussage darüber zu treffen, ob eine unzufässige Fehlfunktion des Meßwertaufnehmers vorliegt. Im Falle eines Meßwertaufnehmers mit linearer Kennlinie kann die Empfindlichkeit unter Zuhilfenahme des Meßwertes der unmodulierten Meßgröße mittels eines einzigen Modulationsschrittes ermittelt werden. Stehen zusätzliche Informationen über die Lage des Nullpunktes, beispielsweise aus vorherigen Meßpausen, zur Verfügung, dann kann die wahre lineare Kennlinie vollständig reproduziert werden. Eine vollständige Reproduktion der wahren Kennlinie eines Meßwertaufnehmers nur durch Modulation der Meßgröße ist jedoch nur möglich, wenn die Kennlinien 30 und 32 bestimmte Voraussetzungen erfüllen. Eine Voraussetzung dafür ist, daß sich die Kennlinien 30 und 32 durch eine gemeinsame mathematische Funktion y = f (a _j, x) beschreiben lassen, wobei den verschiedenen Kennlinien jeweils unterschiedliche Parametersätze a _j zugeordnet sind. Jede Modulation des wahren Wertes x₀ der Meßgröße um den Betrag h _i führt zu einer Gleichung der Gestalt

y _j = f(a _j, x₀ + h _i)

so daß ein Gleichungssystem

g₀ (a _j, x₀) = f(a _j, x₀ + h₀) - y₀ = 0,
g₁ (a _j, x₀) = f(a _j, x₀ + h₁) - y₁ = 0,
.
.
.
g _n-1 (a _j, x₀) = f(a _j, x₀ + h _n-1) - y _n-1 = 0,

entsteht. Die unbekannten Größen dieses Gleichungssystems sind die Parameter a _j und der wahre Wert x₀ der Meßgröße. Um das Gleichungssystem lösen zu können, muß die Anzahl n der Gleichungen dieses Gleichungssystems um 1 größer sein als die Anzahl der Parameter a _j. Unter den Parametern a _j sind dabei die für die Beschreibung der Kennlinie erforderlichen ungekannten Parameter zu verstehen. Ist beispielsweise bei Meßwertaufnehmern mit linearer Kennlinie die Lage des Nullpunktes a₀ bekannt, so enthält die Kennlinienfunktion f(a _j, x₀) = a₀ + a₁ x nur einen einzigen unbekannten Parameter a _j, nämlich die Steigung a₁ der Kennlinie. Zur Lösung des Gleichungssystems sind somit entsprechend der Anzahl der Unbekannten wenigstens n Meßschritte mit n unterschiedlichen Modulationsbeträgen h₀, h₁, . . .h _n-1 erforderlich. Bei der Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft h₀ = 0 zu wählen und die Modulation der Meßgröße in Gestalt einer symmetrischen Schwingung um x₀ durchzuführen. Einer gegebenen Schwingungsamplitude entsprechen dann zwei Beträge h _i,₁ und h _i, ₂, die sich lediglich im Vorzeichen unterscheiden |h _i,₁| = |h _i,₂|.

Das Gleichungssystem g _i (a _j, x₀ + h _i) hat dann eine eindeutige Lösung, wenn für die zugehörige Funktionaldeterminate folgende Beziehung

erfüllt ist. Die Bedingung bewirkt, daß nicht jede beliebige Kennlinienfunktion y = f(a _j, x) zu einem lösbaren Gleichungssystem g _i (a _j, x₀) führt. Beispielsweise erfüllt die lineare Kennlinienfunktion y = a₀ + a₁x für die beiden ungekannten Parameter a₀ und a₁ diese Bedingung nicht. Die zu dieser Kennlinienfunktion gehörende Funktionaldeterminate verschwindet.

Somit können in diesem Fall die Parameter a₀ und a₁ sowie der wahre Wert x₀ der Meßgröße nicht gemeinsam bestimmt werden. Zwar läßt sich die Empfindlichkeit a₁ des Aufnehmers mit Hilfe zweier Modulationsschritte berechnen, jedoch kann über die Nullpunktdrift, die sich im Parameter a₀ widerspiegelt und somit über wahren Wert x₀ der Meßgröße keine Aussage gemacht werden. Ist der Parameter a₀ beispielsweise aus vorangegangenen Meßpausen bekannt, so reduziert sich die Anzahl der unbekannten Parameter um eins und das zugrundeliegende Gleichungssystem führt zu einer nichtverschwindenden Funktionaldeterminante

Auch ein Meßwertaufnehmer mit einer Kennlinie gemäß y = a₀ + a₁ + a₂x² ist zur Durchführung des Verfahrens nicht geeignet, da die zu dieser Kennlinie gehörende Funktionaldeterminante im allgemeinen Fall mit 3 unbekannten Parametern ebenfalls verschwindet. Geeignete Aufnehmerkennlinien sind jedoch beispielsweise die Funktionen

y = a₀ + a₂x²
y = a₀ + a₁x + a₂√
y = a₀ + a₂/x.

Zur Durchführung des Verfahrens sind somit nur Meßwertaufnehmer geeignet, deren Kennlinie durch eine Funktion y = f(a _j, x) dargestellt werden kann, die zu einem Gleichungssystem g _i(a _j, x₀) mit den Unbekannten a _j, x₀ führt, dessen Funktionaldeterminante nicht verschwindet. Die Anforderungen an die Kennlinie des Meßwertaufnehmers sind dabei so zu verstehen, daß diejenigen Anteile seiner Kennlinienfunktion, die im strengen mathematischen Sinn zur Unlösbarkeit des Gleichungssystems g _i führen würden, entweder bekannt oder gegenüber den anderen Anteilen vernachlässigbar sind. Im Falle eines Meßwertaufnehmers, dessen Kennlinie mit einer quadratischen Funktion y = a₀ + a₁x + a₂x² dargestellt werden kann, bedeutet dies, daß entweder der lineare Anteil a₁x gegenüber dem reinen quadratischen Anteil a₀ + a₂x² in der Praxis vernachlässigbar ist oder als bekannt mit unveränderlichem Parameter a₁ vorausgesetzt werden kann. Eine weitere Voraussetzung des Verfahrens ist auch, daß die funktionale Gestalt der Kennlinie des Meßwertaufnehmers während des Betriebes des Meßwertaufnehmers nicht ändert, so daß sich beispielsweise Nullpunktdrift und Empfindlichkeitsänderung des Meßwertaufnehmers nur in einer Änderung des Parametersatzes a _j äußert. Diese für den Meßwertaufnehmer typische funktionale Gestalt ist zusammen mit einem geeigneten Algorithmus zur Lösung des zugehörigen Gleichungssystems in der Auswerte- und Steuereinheit 16 (Fig. 1), die beispielsweise einen Mikroprozessor enthalten kann, gespeichert.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 handelt es sich um einen piezoelektrischen Differenzdruck-Aufnehmer mit einer Membran 40, die in einem Gehäuse 42 des Druckaufnehmers angeordnet ist und die einen hohlen Innenraum 44 des Gehäuses in eine Druckkammer 46 und eine Referenzkammer 48 unterteilt. Druckkammer 46 und Referenzkammer 48 sind gegeneinander dicht verschlossen. Die Druckkammer 46 und die Referenzkammer 48 sind jeweils mit einem Druckkanal 47 bzw. 49 versehen, der mit dem Meßmedium beispielsweise indirekt über eine Vorlegemembran verbunden ist. Die Druckkammer 46 und die Referenzkammer 48 sowie die zugehörigen Druckkanäle 47 bzw. 49 sind bis zur Vorlegemembran mit einem wenigstens annähernd fluiden inkompressiblen Medium 62 beispielsweise mit Silikonöl, gefüllt. Die Membran 40 besteht vorzugsweise aus Silizium und ist beispielsweise mit einer piezoelektrischen Widerstandsbrücke versehen, die über die elektrischen Anschlüsse 52 mit Spannung bzw. Strom versorgt wird. In der Referenzkammer 48 befindet sich außerdem ein Piezoelement 54, das mit elektrischen Anschlüssen 56 versehen ist. Die elektrischen Anschlüsse 52 und 56 sind aus der Druckkammer 46 bzw. aus der Referenzkammer 48 gasdicht mittels elektrischer Durchführungen 58 bzw. 60 herausgeführt. Das Piezoelement 54 besteht beispielsweise aus einer Piezokeramik. Ein derartiges Piezoelement 54 mit einer Fläche von beispielsweise etwa 10 mm² und einer Dicke von etwa 1 mm liefert bei einer Anregespannung von beispielsweise etwa 100 V bei hydrostatischer Belastung eine Blockierkraft von etwa 30 N. Die entsprechende Druckerhöhung in der Referenzkammer beträgt dann etwa 3 × 10⁶ Pa. Diese hydrostatische Druckerhöhung in der Referenzkammer 48 wird sich dann einstellen, wenn man für schnelle Modulationsvorgänge den Druckausgleich über die an den Druckkanal 49 anschließende Vorlegemembran vernachlässigen kann. Der Meßbereich des Differenzdruckaufnehmers ist dabei so auszulegen, daß er im nichtlinearen Bereich seiner Kennlinie betrieben wird.

Claims

1. Verfahren zur Selbstüberwachung von Meßwertaufnehmern zum Messen des wahren Wertes X₀ einer physikalischen Meßgröße, bei dem das zu wenigstens einem vorgegebenen Kalibrierwert zugehörige Meßsignal y _i ermittelt und gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierwert durch eine Modulation der physikalischen Meßgröße am Eingang des Meßwertaufnehmers mit wenigsten einem vorgegebenen Betrag h _i gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Meßwertaufnehmer wird in einem Meßbereich betrieben, in dem seine Kennlinie wenigstens annähernd durch eine Funktion y = f (a _j, x) dargestellt werden kann, wobei mit x ein möglicher Wert der Meßgröße und mit a _j die unbekannten Parameter der Funktion bezeichnet werden, die
- a1) zusammen mit den Meßsignalen y _i und den zugehörigen vorbestimmten Beträgen h _i ein Gleichungssystem g _i (a _j, x₀) = f( _j, x₀ + h _i) - y _i = 0,ergibt,
- a2) dessen Anzahl n der Gleichungen um 1 größer ist als die Anzahl der ungekannten Parameter a _j und
- a3) desen Funktionaldeterminate ist,
b) der wahre Wert x₀ der Meßgröße wird durch Auflösen des Gleichungssystems g _i (a _j, x₀) = 0 ermittelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine symmetrische Modulation der Meßgröße.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichung g₀ (a _j, x₀) des Gleichungssystems g _i (a _j, x₀) aus der Messung der unmodulierten Meßgröße abgeleitet wird.