DE4446775A1 - Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren - Google Patents
Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von SensorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift
von Sensoren zur Erfassung von von Zustandsgrößen abhängigen Meßgrößen in
Geräten, insbesondere in Haushaltgeräten, mit einer elektronischen Programm
steuerung, welche einen Steuerrechner zur Auswertung der mit den Sensoren
erfaßten Meßgrößen und mindestens einem Datenspeicher zur Abspeicherung von
erfaßten Meßgrößen besitzt.
Eine wesentliche Kenngröße von Sensoren ist der sogenannte Offset, d. h. die
Ausgangsgröße bei zu Null gesetzter physikalischer Eingangsgröße. Dieser Offset
überlagert sich dem Signal additiv; er ist von der Eingangsgröße unabhängig und
wird als konstanter Fehleranteil wirksam.
Dieser Fehler läßt sich leicht korrigieren, wenn er von der Zeit und der Temperatur
unabhängig ist. Dazu wird der Sensor oder eine komplette Schaltung zur Meß
werterfassung einmal im Fertigungsprozeß durch Hard- oder Software
abgeglichen.
Leider driften nun die Offsetfehler, insbesondere bei Low-Cost-Sensoren, mit der
Zeit und insbesondere mit der Temperatur. Der dadurch bedingte Meßfehler ist
i.d.R. nur mit großem Aufwand korrigierbar, da Größe und Vorzeichen der Drift
selbst innerhalb einer Fertigungs-Charge stark streuen. Auch der Langzeitverlauf
des Sensor-Offsets ist nur innerhalb bestimmter Fehlergrenzen definiert.
Vorhandene Lösungen und ihre Nachteile:
- (i) Kompensation der Offset-Driften durch eine "Zero"-Taste, mit der die Meßeinrichtung bei fehlender Eingangsgröße manuell auf Null gesetzt wird.
- Nachteile:
- - Die Lösung erfordert einen Eingriff des Benutzers.
- - Eine verläßliche Messung ist nur für kurze Zeit gesichert, da der Offsetanteil des Signals zeitlich oder thermisch bedingt weiterhin driften kann.
- (ii) Das Verfahren nach (i) wird dahingehend automatisiert, daß ein Rechner die "Nullung" vornimmt. Dazu ist es nötig, daß der Rechner Prozeßzustände herbeiführt oder erkennt, in denen die Eingangsgröße des Sensors zu Null wird.
- Nachteile:
- - Auch in diesem Fall gilt die Offsetkalibrierung nur für kurze Zeit. Eine ständige Wiederholung in kurzen Zeitabständen ist erforderlich.
- (iii) Hardwaremäßig wird durch zusätzliche temperaturabhängige Bauelemente in der Beschaltung des Sensors die Drift kompensiert. Diese Bauelemente sind durch das Fahren von Temperaturschleifen individuell auf den einzelnen Sensor abzustimmen, da Größe und Vorzeichen der Verschiebung selbst bei Sensoren gleicher Bauart nicht hinreichend genau definiert sind.
- Nachteile:
- - Langzeitdriften werden nicht erfaßt.
- - Zusätzliche Bauteile verursachen Kosten.
- - Die individuelle Abstimmung auf den Sensor ist zeitaufwendig und eignet sich nicht für große Stückzahlen.
- - Es wird i.d.R. nur der Temperaturgang des Sensor-Offsets korrigiert. Die evtl. nachfolgende Schaltung hat aber ebenfalls eine thermische Offsetdrift, die auf diese Weise nicht erfaßt wird.
- (iv) Jeder Sensor wird ausgemessen, und die individuellen Offset-Kennwerte werden in einem Mikroprozessorsystem mit nicht flüchtigem Speicher abgelegt. Bei gleichzeitiger Erfassung der Temperatur kann nun dieses System den der jeweiligen Temperatur entsprechenden Offsetanteil des Signals berechnen und von ihm subtrahieren.
- Nachteile:
- - Wie unter (iii), nur die zusätzlichen Bauteile werden nicht benötigt.
Der Erfindung stellt sich somit das Problem, eine gegenüber den vorbeschriebenen
Verfahren möglichst einfache, kostengünstige und genaue Kompensation der ther
mischen Offsetdrift von Sensoren zu schaffen. Erfindungsgemäß wird dieses Pro
blem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Zweckmäßige
Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus dem nachfolgenden Unter
anspruch.
Das erfindungsgemäß durchgeführte Verfahren zeichnet sich durch folgende
Vorteile aus:
- - Es ist keinerlei Anordnung zur individuellen Vermessung von Sensoren oder ganzer Meßketten erforderlich, vielmehr werden die Offset-Eigenschaften im laufenden Betrieb erfaßt.
- - Es wird das Offsetverhalten der gesamten Meßkette und nicht nur des Sen sors korrigiert. Damit lassen sich auch mit preiswerten Komponenten im Meßverstärker (z. B. Operationsverstärker) Präzisionsmessungen erreichen.
- - Es handelt sich um ein selbstlernendes Verfahren, weil der Rechner zu nächst über keinerlei Kenntnis des Offsetverhaltens der Meßkette verfügen muß. Je mehr Meßwerte er genommen hat, desto besser kann er die Offset-Fehleranteile des Ausgangssignals korrigieren.
- - Das Verfahren ist adaptiv, weil es sich individuell der Meßkette anpaßt. Auf diese Weise werden auch Langzeit-Offsetdriften des System erkannt und laufend nachgeführt.
- - Durch das beschriebene Verfahren können mit Low-Cost-Sensoren Präzi sionsmessungen gemacht werden, da das reale Verhalten der Bauelemente im Betrieb erfaßt wird und darauf aufbauend das fehlerbehaftete Ausgangs signal korrigiert werden kann.
- - Das Verfahren eignet sich insbesondere für große Serien, da die Kompensa tionsparameter online bestimmt werden und somit keine Kosten bei der Fertigung der Meßeinrichtung entstehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung rein schema
tisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Figur zeigt ein
Blockschaltbild der Bauelemente zur Durchführung des Verfahrens zur Kompensa
tion der thermischen Offsetdrift bei einem analogen Drucksensor (1) zur Erfassung
des Laugenniveaus einer Waschmaschine. Das Signal des analogen Drucksen
sors (1) wird durch eine Verstärkerschaltung (2) aufbereitet und in einem Analog-
Digital-Umsetzer (3) in ein digitales Signal übertragen. Anschließend erfolgt die
erfindungsgemäße, im folgenden beschriebene Auswertung des Signals durch den
Steuerrechner (4) der Waschmaschine unter Verwendung eines nichtflüchtigen
Datenspeichers (5). An die aus Drucksensor (1) und Verstärkerschaltung (2)
bestehende Meßkette ist ein Temperatursensor (6) angekoppelt, dessen Signale
ebenfalls durch den Analog-Didital-Umsetzer (3) aufbereitet und vom
Steuerrechner (4) ausgewertet werden.
Der Steuerrechner (4) liest über analoge Eingänge die durch den Drucksensor (1)
und die nachfolgende Verstärkerschaltung (2) umgesetzte Prozeßgröße, in diesem
Fall ein druckabhängiges Spannungssignal Up und das der aktuellen Temperatur T
der aus Drucksensor (1) und Verstärker (2) bestehenden Meßkette entsprechende
Spannungssignal UT ein. Er hat die Möglichkeit, gemessene und errechnete Para
meter in einem nicht-flüchtigen Datenspeicher (5) abzulegen.
Die Kompensation von thermischen und Langzeit-Offsetdriften geschieht nun in
folgender Weise:
Der Steuerrechner (4) mißt das Offsetverhalten von Drucksensor (1) und Schaltung (Verstärker (2) bei verschiedenen Betriebs-Temperaturen und legt diese zusammen mit den gemessenen Temperaturen in einem nichtflüchtigen Daten speicher (5) ab. Dazu muß er wissen, wann er den reinen Offset-Anteil des druck abhängigen Spannungssignals Up messen kann, der von der Prozeßgröße unab hängig ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn er Zustände des Systems kennt oder herbeiführt, in denen die Prozeßgröße Up gleich Null ist. Mit Hilfe der ge speicherten Werte ist der Steuerrechner (4) nun in der Lage, die Beziehung von Offsetspannung und Temperatur der gesamten Meßeinrichtung zu bestimmen. Dazu kann er bei vorgegebener Modellstruktur, beispielsweise bei linearer Abhängigkeit des Offsets von der Temperatur, Parameter berechnen oder sogar die Modellstruktur so wählen, daß die gemessenen Wertepaare möglichst genau abgebildet werden.
Der Steuerrechner (4) mißt das Offsetverhalten von Drucksensor (1) und Schaltung (Verstärker (2) bei verschiedenen Betriebs-Temperaturen und legt diese zusammen mit den gemessenen Temperaturen in einem nichtflüchtigen Daten speicher (5) ab. Dazu muß er wissen, wann er den reinen Offset-Anteil des druck abhängigen Spannungssignals Up messen kann, der von der Prozeßgröße unab hängig ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn er Zustände des Systems kennt oder herbeiführt, in denen die Prozeßgröße Up gleich Null ist. Mit Hilfe der ge speicherten Werte ist der Steuerrechner (4) nun in der Lage, die Beziehung von Offsetspannung und Temperatur der gesamten Meßeinrichtung zu bestimmen. Dazu kann er bei vorgegebener Modellstruktur, beispielsweise bei linearer Abhängigkeit des Offsets von der Temperatur, Parameter berechnen oder sogar die Modellstruktur so wählen, daß die gemessenen Wertepaare möglichst genau abgebildet werden.
Auf diese Weise kann der Steuerrechner (4) bei beliebiger Temperatur den Offset
anteil des Ausgangssignals der Meßkette bei angelegter Prozeßgröße schätzen
und vom eingelesenen Signal subtrahieren. Die gemessenen Werte werden aktuali
siert, so daß auch langfristige Änderungen der Parameter nachgeführt werden.
Eine solche Aktualisierung kann in jedem Programmdurchlauf, zyklisch oder bei
Auftreten eines durch den Rechner festgestellten Fehlers erfolgen. Um beim
ersten Programmablauf einen sicheren Betriebsablauf zu gewährleisten, ist es
sinnvoll, eine Einstellung der Offsetdrift auf solche Werte vorzunehmen, die im
Datenblatt des Sensors angegeben sind.
Claims (4)
1. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1),
bzw. von Meßketten aus Sensoren (1) und Verstärkerschaltungen (2), zur
Ermittlung und Weitergabe von von Eingangsgrößen abhängigen Ausgangsgrößen
in Geräten, insbesondere von Zustandsgrößen in Haushaltgeräten mit einer elek
tronischen Programmsteuerung, welche einen Steuerrechner (4) zur Auswertung
der von den Sensoren (1) weitergegebenen Ausgangsgrößen und mindestens
einem Datenspeicher (5) zur Abspeicherung der Ausgangsgrößen besitzt,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- - Erfassung von Ausgangsgrößen in Betriebszuständen, welche bekannte Eingangsgrößen, insbesondere die Eingangsgröße Null besitzen, während eines ersten Programmablaufs,
- - Berechnung einer jeweiligen Offsetgröße aus Ausgangsgröße und Eingangs größe,
- - Erfassung der Temperatur während der Erfassung der jeweiligen Ausgangs größe während des ersten Programmablaufs,
- - Abspeichern von Offsetgrößen und der dazugehörigen Temperatur in einem nichtflüchtigen Datenspeicher (5),
- - Berechnen einer temperaturabhängigen Offsetdrift,
- - Korrektur der in weiteren Programmabläufen erfaßten Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von der berechneten Offsetdrift.
2. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1) nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine kontinuierliche Neuerfassung von Ausgangsgrößen, Berechnung von
Offsetgrößen, Erfassung der Temperatur, Abspeicherung und Neuberechnung der
Offsetdrift in den weiteren Programmabläufen erfolgt.
3. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1) nach
einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturerfassung in unmittelbarer Nähe des Sensors (1), bzw. der
Meßketten aus Sensor (1) und Verstärkerschaltung (2) erfolgt.
4. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1),
dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem ersten Betrieb des Geräts eine Einstellung der Offsetdrift auf in
einem Datenblatt des Sensors (1) angegebene Werte erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944446775 DE4446775B4 (de) | 1994-12-24 | 1994-12-24 | Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren |
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Publications (2)
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DE4446775A1 true DE4446775A1 (de) | 1996-06-27 |
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