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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Sensoren und spezieller
Systeme und Verfahren zum Kompensieren der Drift eines Thermoelements
und anderer solcher Sensoren in einem Fertigungslos durch eine Prüfcharakterisierung
eines Sensorprüflings
aus dem Los.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Viele
Sensoren geben ansprechend auf eine gegebene Umweltbedingung ein
Signal aus. Z.B. weist ein Thermoelement einen Spannungsausgang aufgrund
eines Temperaturunterschieds von einem Ende zum anderen Ende des
Sensors auf. Thermoelemente sind analoge Temperatursensoren, die
die thermoelektrischen Eigenschaften von zwei ungleichartigen Materialien,
typischerweise Metallen, nutzen, um eine EMK im Verhältnis zu
einem Temperaturgradienten über
eine Materialinhomogenität
zu erzeugen. Übliche
Thermoelemente, die bei einer Temperaturmessung verwendet werden,
umfassen zwei Metalldrähte
von unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften, die Thermopaare
genannt werden, die an einem Ende verbunden sind, um eine "Messlötstelle", die auch als eine "Messstelle" bekannt ist, zu
bilden. Die anderen Enden der Drähte sind
mit einer Messgeräteausrüstung, wie
z.B. einem Voltmeter, verbunden, um die durch das Thermoelement
erzeugte EMK zu messen. Die Drähte
sind mit der Messgeräteausrüstung bei
einer bekannten Bezugstemperatur verbunden, um eine "Vergleichsstelle" oder eine "Vergleichslötstelle" zu bilden.
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Thermoelemente
und andere solche Sensoren folgen einer Nennansprechkurve, so dass
ermöglicht
wird, dass der Benutzer die gemessenen Parameter auf Grundlage des
Ausgangs des Sensors quantifiziert. Die meisten Sensoren weisen
im Laufe der Zeit von einer Anfangsansprechkurve eine Verschiebung
im Ausgang auf. Diese irreversible Änderung kann auf chemische
oder metallurgische Änderungen
in Materialien zurückzuführen sein,
die verwendet werden, um den Messaufnehmer zu konstruieren. Diese
Verschiebung im Ausgang des Sensors wird üblicherweise als Drift bezeichnet.
Da es wünschenswert
ist, eine möglichst
genaue Messung vorzunehmen, würde
es für
den Benutzer des Sensors vorteilhaft sein, wenn die Drift beseitigt
werden könnte.
In vielen Fällen
ist es nicht leicht, eine Drift zu beseitigen.
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Eine
Sensordrift kann durch viele unterschiedliche Mechanismen hervorgerufen
sein, aber zwei Hauptquellen von Drift sind chemische oder metallurgische Änderungen.
Z.B. ist ein üblicher
Driftmechanismus in Thermoelementen vom Typ K, wo das Chrom vorzugsweise
oxidiert, eine Erscheinung, die "Poliergrün" genannt wird. Indem
etwas von dem Chrom in einem Oxid chemisch gebunden wird, wird die
prozentuale Zusammensetzung von Chrom in der Legierung wesentlich
verringert, wobei eine Verschiebung im thermoelektrischen Ausgang
des Sensors hervorgerufen wird. Es ist gefunden worden, dass es
schwierig ist, zu verhindern, dass Poliergrün auftritt.
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Nicht
alle Quellen von Drift sind auf chemische oder metallurgische Änderungen
zurückzuführen. Z.B.
kann ein Sensor mechanisch beschädigt werden,
wobei eine Kurzschlussbedingung hervorgerufen wird, die zu einer
falschen Anzeige führt,
oder es kann ein Sensor mit Wasser getränkt werden, was zu einer elektrischen
Nebenschlussschaltung und zu einer scheinbaren Drift führt. Solche
Vorkommnisse können
nicht korrigierbar sein und sind in einer Laborumgebung schwer vorherzusagen
oder zu reproduzieren. Obwohl diese und andere Quellen von Drift nicht
weniger wichtig beim Erzielen von genauen Messungen sind, ist es
noch wünschenswert,
hinsichtlich möglichst
vieler Quellen von Drift eine Korrektur vorzunehmen. Zusätzlich kann
das Niveau von Drift zwischen Fertigungslosen von Sensoren aufgrund
von Variationen in den chemischen und/oder metallurgischen Eigenschaften
der in den Sensoren verwendeten Materialien stark variieren. Es
gibt auch Quellen von Drift, die vorübergehend und reversibel sind,
wie z.B. die Temperatureffekte bei einem Drucksensor.
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Folglich
lässt sich
Drift als mit zwei grundsätzlichen
Ursprüngen
verbunden denken: Drift, die durch reversible Effekte erzeugt wird,
wie z.B. diejenigen aufgrund von Umgebungstemperatur, und Drift,
die durch irreversible Änderungen
aufgrund von grundlegenden Änderungen
in den chemischen oder metallurgischen Eigenschaften des Messaufnehmers hervorgerufen
wird.
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Die
US 5,857,777 offenbart ein
Driftkompensationssystem gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Demgemäß gibt es
ein Erfordernis zur Kompensation hinsichtlich Quellen von Drift,
die für
Thermoelementsysteme und andere solche Sensorsysteme im Labor vorhergesagt
und reproduziert werden kann, während
Variationen im Sensorausgang aufgrund von Drift zwischen Materiallosen,
die bei der Herstellung der Sensoren verwendet werden, abgeschwächt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Folgende bietet eine vereinfachte Zusammenfassung, um ein grundsätzliches
Verstehen von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu liefern.
Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick der Erfindung und
soll weder Schlüssel-
oder kritische Elemente der Erfindung identifizieren, noch den Umfang
derselben skizzieren. Vielmehr besteht der primäre Zweck der Zusammenfassung
darin, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form
als ein Vorwort zu der detaillierteren Beschreibung darzubieten,
die später
zur Verfügung gestellt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Sensorsystem zum Kompensieren
hinsichtlich Quellen von Drift gerichtet, die im Labor vorhergesagt
und reproduziert werden kann, wobei von einem charakterisierten
Materiallos gefertigte Sensoren verwendet werden, wodurch Variationen
im Ausgang des Systems zwischen Losen aufgrund von Drift minimiert werden.
Ein Los von Materialien würde
eine Zusammenstellung von Materialien sein, von denen erwartet werden
könnte,
dass sie wegen einiger gemeinsam genutzter Produktionsprozesse messbar ähnliche
Materialcharakteristika oder -eigenschaften aufweisen. Die vorliegende
Erfindung trägt
weiter einer Anwendungsveränderlichkeit
Rechnung, indem fakultativ eine Eingabeeinrichtung für die besonderen Zeit-
und/oder Temperaturbedingungen einer Benutzeranwendung und die Korrekturen
derselben aufgrund von Drift ermöglicht
wird.
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Der
Ausgang von vielen Sensoren (z.B. Thermoelementen, RTDs, Drucksensoren,
Feuchtesensoren, chemischen Sensoren, Durchflusssensoren) kann als
eine Funktion von Temperatur und Zeit driften, insbesondere, wenn
sie äußerst hohen
oder tiefen Temperaturen ausgesetzt werden, was zu einer grundlegenden Änderung
in den chemischen oder metallurgischen Eigenschaften der Materialien führt, die
verwendet werden, um die Sensoren zu konstruieren. Der Erfinder
des vorliegenden Sensorkompensationssystems hat erkannt, dass Sensoren desselben
metallurgischen und chemischen Aufbaus auf Umweltbedingungen auf
eine gleiche Weise reagieren.
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Deshalb
wird die Driftkompensation der vorliegenden Erfindung diesem Erfordernis
bei Thermoelementsystemen und anderen solchen Sensorsystemen gerecht,
indem ein Verfahren zum Charakterisieren eines oder mehrerer von
einem spezifischen Los von Material gefertigten Prüflinge des
Sensors in Bezug zu einem erwarteten Zeit- und Temperaturprofil
bereit gestellt wird. Die Drift des Prüfsensors wird bestimmt und
kann als eine Verschiebung des Sensorausgangs als eine Funktion
von Zeit und Temperatur dargestellt werden. Parameter der Driftfunktion können dann
von einem Driftkompensationsapparat verwendet werden, um den Ausgang
eines anderen solchen Sensors von demselben Fertigungslos in Bezug
zu Zeit und/oder Temperatur aufgrund von Drift zu kompensieren.
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Der
Temperaturmessausgang von herkömmlichen
Thermoelementsystemen kann z.B. bis zu 30°C oder mehr nach langandauernder
Einwirkung bei hohen Temperaturen driften. Diese Drift im Ausgang
der Thermoelementsystemmessgeräteausrüstung mag
kein akzeptabler Fehler sein, insbesondere, wenn diese Systemänderung
normalerweise irreversibel ist. In einigen herkömmlichen Sensorsystemen kann
dieses Problem teilweise durch häufige Rekalibrierung
oder Ersetzung der verwendeten Sensoren abgeschwächt werden. Diese Prozedur
ist kostspielig, zeitraubend und mag die Änderung in der Sensordrift
zwischen Kalibrierungsperioden immer noch nicht berücksichtigen.
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Das
Driftkompensationssystem der vorliegenden Erfindung umfasst ein
Driftcharakterisierungsprüfgerät zur Charakterisierung
eines Sensorprüflings,
der von einem speziellen Materiallos gefertigt ist, wobei das Prüfgerät Parameter
(z.B. Koeffizienten einer angepassten Driftfunktion, mehrere Sätze von
Koeffizienten, eine zweidimensionale Matrix von Zeit-Temperatur-Daten)
bereitstellt, die der Drift des Prüflings zugeordnet sind. Das
System umfasst weiter ein Sensorsystem mit einem zweiten Sensor, der
aus demselben Materiallos gefertigt ist, und einen Speicher-Speicherbaustein
(z.B. ein EEPROM, ein EPROM oder ein anderes solchens Speicherbauelement,
eine Rechnerplatte oder ein anderes solches rechnerlesbares Medium,
eine Speicher-Speicherstelle, einen Strichcode, ein RFID-Kennzeichen,
eine virtuelle Speicher-Speicherstelle
auf einem Netzwerk) zum Speichern der Parameter. Das System weist
auch einen Driftkompensationsapparat (z.B. ein rechnergestütztes Temperatur-,
Druck-, Durchfluss- oder
chemisches Messinstrument) auf, der sich mit dem Sensorsystem koppeln
lässt und
funktionsfähig
ist, um die im Speicher-Speicherbaustein gespeicherten Parameter
zu verwenden, um die Drift des Ausgangs des zweiten Sensors in Bezug
zu Zeit und/oder Temperatur zu kompensieren.
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In
einem Aspekt des Driftkompensationssystems ist der Sensortyp ein
Temperatursensor, wie z.B. ein Thermoelement, ein RTD, ein Drucksensor, ein
Feuchtesensor, ein chemischer Sensor und ein Durchflusssensor.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Speicher-Speicherbaustein
ein EEPROM, ein EPROM oder ein anderes solches Speicherbauelement,
eine Rechnerplatte oder ein anderes solches rechnerlesbares Medium,
eine Speicher-Speicherstelle,
ein Strichcode, ein RFID-Kennzeichen, eine virtuelle Speicher-Speicherstelle
auf einem Netzwerk, um die Parameter zu speichern.
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In
noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst der Driftkompensationsapparat
einen Mikroprozessor, einen A/D-Wandler
und einen Speicher.
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In
noch einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Sensorsystem ein
Speicher-Speicherbauelement umfassen, das dem Prüfling und dem zweiten Sensor
zugeordnet ist.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Driftcharakterisierungsprüfgerät eine Wärmeprüfkammer
zum Prüfen
und Charakterisieren des Sensorprüflings als eine Funktion von
Temperatur und Zeit umfassen.
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In
noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das
Driftcharakterisierungsprüfgerät einen
Driftanalysator zur Bestimmung einer Driftfunktion des Sensor prüflings als
eine Funktion von Temperatur und Zeit, zur Bestimmung eines oder mehrerer
Sätze von
der Drift zugeordneten Parametern und der funktionsfähig ist,
um die Parameter in einem Speicher zu speichern, der dem Prüfgerät oder einem
zweiten Sensor zugeordnet ist.
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Um
die vorhergehenden und verwandte Ziele zu erreichen, legen die folgende
Beschreibung und die angefügten
Zeichnungen in Einzelheit gewisse veranschaulichende Aspekte und
Ausführungen
der Erfindung dar. Diese zeigen lediglich einige der verschiedenen
Wege auf, in denen die Prinzipien der Erfindung verwendet werden
können.
Andere Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich,
wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung nach dem Stand der Technik, die ein
herkömmliches thermoelektrisches
Gerät veranschaulicht,
wie es von einem Thermoelementehersteller geliefert wird, wie es
z.B. in einem Temperaturüberwachungssystem
verwendet werden kann;
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2 ist
ein begleitendes schematisches Symbol des Thermoelements nach dem
Stand der Technik von 1 und der Polarität einer
von dem Gerät
gelieferten EMK;
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3 ist
eine schematische Darstellung, die ein beispielhaftes Driftkompensationssystem
zum Kompensieren hinsichtlich thermischer Drift eines Sensors in
einem Überwachungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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4 ist
ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Driftcharakterisierungsprüfgerät zum Prüfen und
Charak terisieren eines Sensorprüflings
als eine Funktion von Temperatur und Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht;
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5 ist
eine schematische Darstellung, die ein beispielhaftes Thermoelementdriftcharakterisierungsprüfgerät zum Prüfen und
Charakterisieren eines Sensorprüflings
als eine Funktion von Temperatur und Zeit entsprechend 4 und
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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6 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung, die ein beispielhaftes
Temperaturmess- und Driftkompensationssystem zum Messen und Kompensieren
des Ausgangs eines TC-Sensorsystems mit einem Thermoelement und
einem zugeordneten Speicher-Speicherbauelement gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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die 7A-C
sind schematische Darstellungen von mehreren beispielhaften Thermoelementsensorsystemen,
die verschiedene Speicher-Speicherbausteine und Verfahren zum Speichern
von der Drift eines Thermoelements zugeordneten Parametern veranschaulicht,
um die Drift eines Temperaturüberwachungssystems
zu kompensieren, gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kompensieren hinsichtlich
der Drift in einem Sensormesssystem veranschaulicht, gemäß mehreren
Aspekten der vorliegenden Erfindung;
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9 ist
ein Tabellenblatt einer beispielhaften zweidimensionalen Tabelle
von Thermoelementmessdaten als eine Funktion von Zeit und Drift
bei einer vorbestimmten Temperatur, wie es z.B. in einem TC-Driftkompensationssystem
gespeichert und verwendet werden kann, gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung;
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10 ist
ein Tabellenblatt von beispielhaften einer Driftfunktion zugeordneten
Parametern, wobei die Parameter angepasste Datenkoeffizienten von
Thermoelementmessdaten als eine Funktion von Zeit und Drift bei
einer vorbestimmten Temperatur umfassen, und wie sie z.B. in einem
TC-Driftkompensationssystem gespeichert und verwendet werden können, gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
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11 ist
eine Auftragung, die die Drift mit der Zeit von mehreren beispielhaften
Thermoelementtypen und Materialien für Temperaturüberwachungssysteme
veranschaulicht.
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12 ist
eine Auftragung, die die unterschiedlichen Driftgeschwindigkeiten
mit der Zeit bei unterschiedlichen Temperaturen von mehreren beispielhaften
Thermoelementtypen und -materialien für Temperaturüberwachungssysteme
veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um überall gleiche
Elemente zu bezeichnen. Die Erfindung betrifft ein Sensorkompensationssystem
zur Kompensation der Drift im Ausgang eines Sensormesssystems. Die
Erfindung charakterisiert die Drift eines Prüfsensors in einem Los von Material,
das bei der Herstellung einer Mehrzahl von Sensoren verwendet wird,
verwendet dann der Drift des Prüfsensors
zugeordnete gespeicherte Parameter, um die Drift im Ausgang der
anderen Sensoren desselben Materialloses zu kompensieren.
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Da
von einem Los von Material gefertigte Sensoren gleiche chemische
und metallurgische Eigenschaften aufweisen, ist es vernünftig, anzunehmen,
dass sich eine Probe von einem Los von Material unter Beanspruchung
in derselben Weise wie andere Sensoren von diesem selben Los verhalten wird.
In dem zuvor erwähnten
Poliergrün-Beispiel könnte ein
Batch von Sensoren, die aus Draht mit einer Zusammensetzung von
10% Chrom gefertigt sind, den durch bevorzugte Oxidation auf 9,7%
reduzierten effektiven Chromgehalt aufweisen. Da sämtliche
Sensoren von diesem Batch ungefähr
dieselbe Reduktion im Chromgehalt erfahren würden, wenn sie derselben Umgebung
ausgesetzt werden, ist es vernünftig,
zu erwarten, dass die Drift einer beliebigen Probe für die erwartete
Drift bei sämtlichen
Sensoren bezeichnend sein würde.
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Eine
Driftkompensationseinrichtung kann folglich verwirklicht werden,
indem Proben von Sensoren geprüft
werden, die von einem Los von Material gefertigt sind, um die Drift
der Probensensoren unter spezifizierten Bedingungen zu charakterisieren. Bei
einem Temperatursensor können
die spezifizierten Bedingungen Zeit bei einer Temperatur sein. Die Driftcharakterisierung
würde dann
die Änderung
im Ausgang als eine Funktion von Zeit bei den spezifizierten Temperaturen
sein. Die Driftcharakterisierung kann in einer beliebigen von mehreren
Einrichtungen, wie z.B. einer zweidimensionalen Tabelle von Drift
gegen Zeit, einer mathematischen Funktion von Drift als eine Funktion
von Zeit, oder anderen Parametern, wie z.B. angepassten Datenkoeffizienten
der mathematischen Driftfunktion, aufgezeichnet werden. Diese Charakterisierungsinformation
kann dann sämtliche
Sensoren begleiten, die von dem geprüften Materiallos oder Batch
gefertigt sind, wobei ermöglicht
wird, dass die Information dann in der Anwendung verwendet wird,
um hinsichtlich einer Sensordrift unter Verwendung einer Loscharakterisierung
zu kompensieren. Die Driftcharakterisierung könnte kumulativ sein, um unterschiedliche
Driftgeschwindigkeiten entsprechend unterschiedlichen Anwendungsbedingungen
zu berücksichtigen.
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Während es
am leichtesten ist, eine Driftcharakteri sierungseinrichtung auszuführen, wenn
die Charakterisierungsparameter dieselben wie der gemessene Parameter
des Sensors sind, ist es auch möglich,
alternative Parameter zu verwenden, um hinsichtlich einer Drift
zu kompensieren. Z.B. kann ein Drucksensor eine Verschiebung im
Ausgang aufweisen, wenn er hohen oder niedrigen Drücken ausgesetzt
wird, und so kann dies einen Korrekturmechanismus bilden. Aber derselbe
Sensor kann auch eine Drift erfahren, wenn er hohen oder niedrigen Temperaturen
ausgesetzt wird. In diesem Fall wird herkömmlicherweise ein separater
Sensor benötigt, um
jegliche Parameter zu messen, die durch den primären Sensor nicht schon gemessen
sind. Für
das Drucksensorbeispiel ist der primäre Sensor der Drucksensor,
aber dies würde
einen sekundären Temperatursensor
erfordern, um hinsichtlich einer temperaturinduzierten Drift zu
kompensieren. Diese Temperaturkompensation erfolgt nicht, um reversible Temperatureffekte
aufgrund von Umgebungstemperatur zu korrigieren, sondern um vielmehr
hinsichtlich irreversibler Änderungen
aufgrund von grundlegenden Änderungen
in den chemischen oder metallurgischen Eigenschaften des Messaufnehmers
zu korrigieren.
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Im
Gegensatz zu einem herkömmlichen
System ist die hierin beschriebene Erfindung ein Verfahren und ein
System zum Korrigieren von irreversibler Drift in Sensormessaufnehmern
aufgrund einer Temperatureinwirkung. Das System umfasst eine Mehrzahl
von Sensoren, die von demselben Los von Material mit im Wesentlichen
gleichen chemischen oder metallurgischen Eigenschaften gefertigt
sind. Das System umfasst auch ein Driftcharakterisierungsprüfgerät, um einen
Sensorprüfling
einer vorbestimmten Wärmeumgebung
(z.B. einer vorbestimmten Temperatur und Zeit) auszusetzen und eine
Driftfunktion zu charakterisieren, die die Beziehung zwischen Zeit
bei einer Temperatur und einer entsprechenden Drift beschreibt.
Das System umfasst weiter einen Speicher-Speicherbaustein zum Speichern
von Parametern der Driftfunktion in einem von den verschiedensten
Formaten, einen Driftkompensationsapparat, der mit einem der Mehrzahl
von Sensoren gekoppelt ist, und den Speicher-Speicherbaustein, um
die gespeicherte Information wiederzugewinnen und zu nutzen, um
die Drift im Sensorausgang zu korrigieren.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Sensor ein Thermoelementtemperatursensor,
der aus zwei ungleichartigen Metallen besteht. Der Sensor ist von
einem Grundmateriallos mit überall
im Wesentlichen ähnlichen
chemischen oder metallurgischen Eigenschaften gefertigt, wie z.B.
einer Rolle von Draht von einer speziellen Schmelze und einem speziellen
Prozess. Die vorbestimmte Wärmeeinwirkung
kann eine Bestimmung der erwarteten Temperaturvorgeschichte durch
Kenntnis der beabsichtigten Anwendung des Sensors auf Grundlage
von bekannten Temperaturen und Umgebungen umfassen.
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Die
Charakterisierungsprüfung
wird gemäß einem
Aspekt der Erfindung bei derselben Anwendungstemperatur in einem
Prüflabor
durchgeführt, wobei
ein bekannter guter Standardtemperatursensor (Bezugssensor) und
ein Sensorprüfling
von demselben Los von Material wie der zu charakterisierende Sensor
verwendet werden. Der Ausgang des Prüfsensors wird gegen den Standard über eine
Zeitspanne verglichen, um die Drift des Prüfsensors mit der Zeit aufzuzeichnen.
Diese Prüfung
führt dann
zu einer Funktion von Drift gegen Zeit, die durch eine stückweise
lineare Funktion mit Zeit als der unabhängigen Variablen und Drift
als der abhängigen
Variablen charakterisiert werden kann. Diese Daten können gespeichert
werden (z.B. als eine zwei-mal-N-dimensionale Matrix von Daten),
wie im Zusammenhang mit der Datentabelle von 9 erörtert wird.
Alternativ kann, wie weiter im Zusammenhang mit den 10-11 erörtert wird,
eine stückweise
stetige Funktion der zweiten Ordnung verwendet werden, wobei die
Daten in einer drei-mal-N-dimensionalen Matrix der Konstanten erster
und zweiter Ordnung (was drei Koeffizienten erfordert) der Kurve über jedem
von N Segmenten zusammen mit dem Endpunkt des Segments gespeichert
werden können.
Ungeachtet der Ordnung des verwendeten Polynoms kann eine zweidimensionale
Matrix dieser thermischen Vorgeschichte in einem elektrisch löschbaren
programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM)-Chip gespeichert werden,
das mit dem Sensor eine Einheit bildet. In einer beispielhaften
Anwendung ist der Temperatursensor mit einem elektronischen Apparat verbunden,
der die gespeicherte Information von dem EEPROM wiedergewinnen und
den wiedergewonnen Temperaturwert zusammen mit einer zugeordneten
verstrichenen Zeit von der thermischen Vorgeschichte verwenden kann,
um einen Driftwert zu berechnen. Dieser berechnete Driftwert wird
dann verwendet, um den angezeigten Temperaturwert in Bezug zur Drift
zu kompensieren oder zu korrigieren.
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Um
eines oder mehrere Merkmale der Erfindung besser einzusehen, werden
mehrere beispielhafte Ausführungen
der Driftkompensationssysteme, der Sensorsysteme, eines Sensormesssystems
und eines Driftcharakterisierungsprüfgeräts nachstehend in Bezug zu
den folgenden Figuren veranschaulicht und beschrieben. Obwohl die
Driftkompensations- und Sensorsysteme der vorliegenden Erfindung
in den Beispielen und Figuren der Erfindung dargestellt und beschrieben
werden, wobei Thermoelemente, RTDs, Thermistoren und andere Wärmemessaufnehmer
zum Messen von Temperaturen verwendet werden, werden auch die verschiedensten
anderen Sensortypen und -messungen einschließlich Druck-, Durchfluss-,
Feuchte- und chemische Sensoren im Zusammenhang der vorliegenden
Erfindung auch vorweggenommen, wobei eine Drift vom Sensorausgang
kompensiert werden kann.
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1 veranschaulicht
ein herkömmliches thermoelektrisches
Gerät 100,
wie es von einem Thermoelementehersteller geliefert und in einem Temperaturüberwachungssystem
verwendet werden kann, während 2 ein
begleitendes schematisches Symbol 200 des Thermoelements
von 1 veranschaulicht. Die meisten üblichen
Thermoelemente sind Temperaturmessgeräte oder Sensoren, die zwei
ungleichartige Metalle umfassen, die an einem Ende miteinander verbunden
sind, das die Messlötstelle
genannt wird. Die zwei Metalle weisen eine Polarität in Bezug
zueinander auf und eines von diesen wird als das positive Bein und
das andere als das negative Bein bezeichnet. Die zwei freien Enden, die
das kalte Ende genannt werden, erzeugen eine Spannung (EMK), die
zum Temperaturunterschied zwischen dem heißen Ende und dem kalten Ende proportional
ist.
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Mit
Bezug zurück
auf 1 weist das herkömmliche Thermoelement typischerweise
einen Edelstahlmantel 110 zum Schutz über der Messlötstelle,
die darin vergossen sein kann (z.B. ein Keramik- oder Epoxidharzvergussmaterial),
zusammen mit einem Übergang 120 (z.B.
Edelstahl) auf, um den Übergang
bis zu einer Länge
eines isolierten Hochtemperaturleitungsdrahtes 130 zu schützen. Der
Leitungsdraht 130 kann auch eine Wärmeschrumpfschutzlänge und
ein Etikett 140 aufweisen, bevor er in einem Ministecker 145 endet.
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3 veranschaulicht
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Driftkompensationssystems 300 zum
Kompensieren hinsichtlich der Drift eines Sensors in einem Überwachungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie es z.B. in den verschiedensten Sensormesssystemen
einschließlich
eines Thermoelementsystems zur Temperaturmessung verwendet werden
kann. Das Driftkompensationssystem 300 umfasst ein Driftcharakterisierungsprüfgerät 310 zum
Prüfen
und Charakterisieren eines Sensorprüflings 320. Das Charakterisierungsprüfgerät 310 ist
funktionsfähig,
um eine vorbestimmte Umgebung auf den Sensor einwirken zu lassen, wie
z.B. eine vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeitperiode
oder einen vorbestimmten Druck für
eine vorbestimmte Zeitperiode. Die vorbestimmte Einwirkung kann
weiter eine vom Benutzer oder Kunden eingegebene erwartete Einwirkung 330 umfassen,
wie z.B. eine erwartete Temperatur und Zeitperiode für einen
Wärmesensor.
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Das
Ergebnis der Driftcharakterisierungsprüfungen bei dem Prüfling 320 würde eine
Driftfunktion 340 in den Einheiten des speziellen Sensortyps
als eine Funktion von Zeit liefern (z.B. eine Funktion von Temperatur
und Zeit für
einen Wärmesensor
oder eine Funktion von Druck für
einen Drucksensor). Die Driftfunktion 340 kann auch als
der Driftfunktion zugeordnete Parameter oder angepasste Datenkoeffizienten
einer mathematischen Driftfunktion über ein festgelegtes Zeitintervall
oder als mehrere Sätze
von Datenkoeffizienten über
mehrere Zeitintervalle dargestellt werden. Die der Driftfunktion
und dem Sensorprüfling
zugeordneten Parameter werden dann in einem dem zweiten Sensor 355 zugeordneten
Speicher-Speicherbaustein 350 gespeichert, wobei der Sensor 355 und
der Speicher-Speicherbaustein 350 ein Sensorsystem 360 des
Driftkompensationssystems 300 umfassen.
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Ein
Driftkompensationsapparat 370, der sich mit dem Sensorsystem 360 koppeln
lässt,
misst den Sensorausgang 375 (z.B. eine Strommessung der Temperatur
oder des Drucks) und gewinnt Parameter 380 wieder, die
die Driftfunktion 340 darstellen, die im Speicher-Speicherbaustein 350 gespeichert
sind. Der Driftkompensationsapparat 370 verwendet dann die
Parameter 380, um den Ausgang 375 des zweiten
Sensors 355 entsprechend der Drift des Sensors 355 als
eine Funktion der Einwirkzeit und -temperatur 330, die
durch den Sensorprüfling 320 charakterisiert ist,
zu kompensieren.
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Verschiedene
Elemente des Driftkompensationssystems 300 können am
besten in den Beispielen der folgenden Figuren eingesehen werden. 4 veranschaulicht
z.B. ein Blockdiagramm eines beispielhaften Driftcharakterisierungsprüfgeräts 400, das
dem Prüfgerät 310 von 3 ähnelt, gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Prüfgerät 400 von 4 ermöglicht die
Prüfung
und Charakterisierung eines Sensorprüflings als eine Funktion von
Temperatur und Zeit im Fall eines Wärmesensors. Das Prüfgerät 400 umfasst
eine Wärmeprüfkammer 405,
in der ein Sensorprüfling 410 einer
vorbestimmten Wärmeeinwirkung
von Zeit und Temperatur 412 zur Charakterisierung des Prüflings 410 ausgesetzt
wird. Ein Messglied 415 (z.B. ein A/D-Wandler ADC oder
ein Digitalmultimeter DMM) überwacht
den Ausgang des Sensorprüflings 410.
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Ein
Driftanalysator 420 registriert die Messungen des Prüflings 410 mit
der Zeit und speichert diese thermische Vorgeschichte in einem Lokalspeicher 425.
Die thermische Vorgeschichte wird unter Verwendung eines Driftmakros 430 im
Driftanalysator 420 analysiert, um eine Driftfunktion 435 des
Ausgangs in Bezug zur Zeit zu definieren. Parameter, die die Driftfunktion 435 darstellen,
wie z.B. eine zweidimensionale Matrix 440 von Driftdaten
oder angepasste Driftkoeffizienten 445, werden dann in
einem zum Speicher-Speicherbaustein 350 des Driftkompensationssystems 300 von 3 ähnlichen
Speicher-Speicherbaustein 450 gespeichert. Folglich ist das
Ergebnis des Driftcharakterisierungsprüfgeräts 400 von 4 die
Herleitung einer Driftfunktion 435, die als Parameter (z.B. 440, 445)
in einem Speicher 450 (z.B. einem EEPROM oder einem anderen
solchen Speicherbauelement oder Speicherstelle, einem RFID-Kennzeichen,
einem Strichcode, einem rechnerlesbaren Medium) gespeichert wird,
der sowohl dem Sensorprüfling 410 als
auch einem zweiten Sensor (z.B. 355 von 3)
von demselben Materiallos zugeordnet ist.
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5 veranschaulicht
z.B. ein beispielhaftes Thermoelementdriftcharakterisierungsprüfsystem 500 zum
Prüfen
und Charakterisieren von einem oder mehreren von einem spezifischen
Los von Material gefertigten Prüflingen
eines Sensors in Bezug zu einem erwarteten oder vorbestimmten Zeit-
und Temperaturprofil entsprechend dem Prüfgerät 400 von 4.
In dem Prüfsystem 500 von 5 ist
ein spezielles Materiallos mit im Wesentlichen oder messbar denselben
chemischen und metallurgischen Eigenschaften beigebracht worden.
Z.B. kann eine Rolle von Thermoelementdraht 510, der von
einer speziel len Schmelze und einem speziellen Prozess gefertigt
ist, als das Materiallos für
die Herstellung eines Loses von Thermoelementen dienen. Ein Prüfling 515,
der von der Rolle von Thermoelementdraht 510 abgeschnitten
ist, liefert eine repräsentative
Sensorprobe 515 des Materialloses zur Charakterisierung.
Um eine Materialreproduzierbarkeit zu gewährleisten, verwendet der Erfinder
einen von jedem Ende der Rolle 510 abgeschnittenen Sensorprüfling 515.
Dann kann, wenn die Proben messbar in Eigenschaften oder der Prüfcharakterisierung
abweichen, die Rolle in zwei Hälften
geteilt werden und neue Prüflingsenden
abgeschnitten und wieder verglichen werden.
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Der
Sensorprüfling 515 ist
auf einem Teststand 520 zusammen mit einem bekannten Bezugsstandard,
wie z.B. einem Bezugsthermoelement 525 zur Anzeige der
wahren Temperatur, in einer Keramikisolationshülle 530 in einer Wärmeprüfkammer 535 montiert.
Der Prüfsensor 515 zusammen
mit dem Bezugssensor 525 können mittels Steckern und Buchsen 540 mit
einem Messglied 545 (z.B. einem DMM oder ADC) in einem
Rechner 550 gekoppelt werden. Der Rechner 550 zusammen
mit z.B. einem Software-Makro oder Spezialprogramm und der Rechnerspeicher
werden verwendet, um die thermische Vorgeschichte des Prüflings (der
Prüflinge)
in Bezug zu Zeit und Temperatur zu speichern und eine Driftfunktion
oder Parameter 555 (z.B. angepasste Driftdatenkoeffizienten),
die der Driftfunktion des Prüflings
zugeordnet sind, zu entwickeln. Die Wärmeprüfkammer 535 kann auch
zur genauen Regelung der Temperatur in der Wärmeprüfkammer 535 eine Temperaturregelung 557 vom
Rechner 550 empfangen. Die Driftparameter 555 werden
dann in einem Speicher-Speicherbaustein 560 (z.B. einem
EEPROM, EPROM, Speicherbauelement, Speicherstelle auf einem Netzwerk,
einem RFID-Kennzeichen oder einem Strichcode) gespeichert oder programmiert,
wobei z.B. ein EEPROM-Programmiergerät oder Brenner 565 verwendet
wird.
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Folglich
speichert, wie zuvor erörtert,
der Speicher 560 deshalb die Parameter 555, die
eine Charakterisierung der Driftfunktion darstellen, die sowohl
dem Sensorprüfling 515 als
auch einer Mehrzahl von anderen Thermoelementsensoren zugeordnet
ist, die von demselbem Materiallos 510 gefertigt sind.
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Z.B.
veranschaulicht 6 ein beispielhaftes Temperaturmess-
und Driftkompensationssystem 600 zum Messen und Kompensieren
des Ausgangs eines TC-Sensorsystems mit einem Thermoelement und
einem zugeordneten Speicher-Speicherbauelement gemäß der vorliegenden
Erfindung. Ein Sensorsystem 610 umfasst einen TC-Sensor 615 und
einen zugeordneten Speicher-Speicherbaustein 620 (z.B.
einen EEPROM), die zusammen in einem Verbindergehäuse 622 untergebracht
sind, wobei der Sensor 615 und der Speicher 620 mittels
eines spezifischen Materialloses und abgeleiteter Driftfunktionsparameter
verknüpft
sind, die im Speicher 620 gespeichert sind. Der Thermoelementsensor 615 liefert
einen analogen Ausgang 625, während ein digitaler Ausgang 630 durch
den EEPROM-Speicher 620 geliefert wird, die gemeinsam mit
einem Thermoelementdriftkompensationsapparat 635 gekoppelt
sind. Der analoge Sensorausgang 625 der Thermoelement-615-Temperaturmessung
wird mit einem A/D-Wandler ARC 640 des TC-Driftkompensationsapparats 635 zur
Umwandlung zu einem digitalen Wort gekoppelt, während der digitale Ausgang 630 des
Speichers 620 über
einen digitalen Eingangsport 645 in einem von einem seriellen
oder parallelen Eingabeformat in den Apparat 635 eingegeben
wird.
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Ein
Vergleichslötstellenkompensations (CJC)-Sensor 647,
der sich im Verbindergehäuse 622 befinden
kann, liefert eine Temperaturmessung der Vergleichslötstelle
des Sensors 615. Der analoge Ausgang des CJC-Sensors 647 wird
zu einer Vergleichslötstellenkompensationsschaltung 648 rückgekoppelt,
der dann durch den ADC 640 zu einem digitalen Wert umgewandelt
wird, um dem Mikroprozessor 650 zur Verfügung gestellt
zu werden.
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Der
beispielhafte TC-Driftkompensationsapparat 635 weist einen
Mikroprozessor 650 auf, der zu Beginn (z.B. bei Einschalten
des TC-Driftkompensationsapparats 635) die Parameter aus
dem EEPROM-Speicher 620 und den Temperaturmessanzeigen
wiedergewinnt, und sie in einem Lokalspeicher 655 speichert.
Der Mikroprozessor 650 analysiert die Temperaturmessungen
in Bezug zu Temperatur und Zeit, synchronisiert durch einen Takt 657, und
kompensiert den Sensorausgang 625 entsprechend den gespeicherten
Parametern des Speichers 620, um einen driftkompensierten
Ausgang 660 von einem Ausgangsport 665 des TC-Driftkompensationsapparats 635 zu
liefern.
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Z.B.
kann der Sensorteil des TC-Sensors 615 in einem 1000°C-Ofen platziert
sein, während sich
der Verbinderteil 622 im Allgemeinen in einer Umgebungstemperatur
außerhalb
des Ofens aufhält, wodurch
der EEPROM-Speicher 620 thermisch geschützt wird.
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Die 7A-C
veranschaulichen mehrere beispielhafte Sensorsysteme (z.B. Thermoelementsensorsysteme),
die verschiedene Typen von Speicher-Speicherbausteinen zum Speichern
von Parametern, die der Drift eines Sensors (z.B. Thermoelement)
zugeordnet sind, nutzen, gemäß der vorliegenden
Erfindung. Z.B. veranschaulicht wie oben im Zusammenhang mit einem
EEPROM-Speicher-Speicherbaustein von 6 erörtert, 7A ein
Sensorsystem 700 eines solchen beispielhaften EEPROM-Speicher-Speicherbausteins 710,
der in einem Verbindergehäuse 720 des
Sensorsystems 700 eingebettet sein kann. In dem gegenwärtigen Beispiel
kann ein Thermoelement 730 im Verbindergehäuse 720 mit
einem Satz von TC-Verbinderstiften 735a und 735b gekoppelt
sein, während
der EEPROM 710 z.B. zusätzliche
EEPROM-Verbinderstifte 737 zur Energie- und Speicherzugriffssteuerung
benötigen
kann. Ein Vorteil dieses Typs Speicher-Speicherbaustein ist, dass
ein angeschlossenes Sensorüberwachungssystem
direkt auf den Speicher-Speicherbaustein 710 zugreifen
kann, um die der Drift des Sensors 730 zugeordneten gespeicherten
Parameter unmittelbar und ferngesteuert wiederzugewinnen.
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7B veranschaulicht
ein anderes Sensorsystem 740 mit einem anderen beispielhaften
Speicher-Speicherbaustein 750, der ein Radiofrequenzidentifizierungs
(RFID)-Kennzeichen umfasst, das in einem Verbindergehäuse 720 eingebettet
ist. Wieder speichert der Speicher-Speicherbaustein 750 die
der Drift eines Sensors (z.B. Thermoelement) zugeordneten Parameter
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Ein Vorteil dieses Typs Speicher-Speicherbaustein besteht
darin, dass keine zusätzlichen
Verbinderstifte erforderlich sind, die gespeicherten Parameter aus einem
gewissen Abstand von dem Sensor und ohne direkten Kontakt mit dem
Sensor gelesen werden können
und möglicherweise
durch das Sensorüberwachungssystem
in kurzen Entfernungen gelesen werden können, um die gespeicherten
Parameter unmittelbar und ferngesteuert wiederzugewinnen.
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7C veranschaulicht
noch ein anderes Sensorsystem 760 mit einem beispielhaften
Speicher-Speicherbaustein 770, der einen Strichcode umfasst,
der z.B. auf einem Etikett 770a auf dem Verbindergehäuse 720,
auf einem Folieneinschweißetikett 770b oder
als Teil eines anderen solchen ID- oder Seriennummer-Etiketts 770c aufgebracht
ist. Wieder speichert der Speicher-Speicherbaustein 770 die
der Drift eines Sensors (z.B. Thermoelement) zugeordneten Parameter
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Ein Vorteil dieses Typs Speicher-Speicherbaustein ist,
dass keine zusätzlichen
Verbinderstifte erforderlich sind, die gespeicherten Parameter durch einen
herkömmlichen
Strichcodeleser gescannt und ohne direkten Kontakt mit dem Sensor
gelesen werden können,
um die gespeicherten Parameter zur Kompensation der Drift eines
Temperaturüberwachungssystems
wiederzugewinnen, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung liefert eine Methodik zum Kompensieren
der Drift eines Thermoelementüberwachungssystems,
wie hierin veranschaulicht und beschrieben, sowie anderer Typen von
Sensorsystemen mit einer Sensordrift.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung korrigiert oder kompensiert
hinsichtlich Quellen von Drift, die im Labor unter Verwendung von
von einem charakterisierten Materiallos gefertigten Sensoren vorhergesagt
und reproduziert werden kann, wodurch Variationen im Ausgang des
Systems zwischen Losen aufgrund von Drift minimiert werden. Die
Erfindung trägt
weiter einer Anwendungsveränderlichkeit
Rechnung, indem fakultativ eine Eingabeeinrichtung für die speziellen
Zeit- und/oder Temperaturbedingungen
einer Kundenanwendung und der Korrekturen derselben aufgrund von
Drift ermöglicht wird.
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Das
Verfahren stützt
sich auf die Erwartung, dass Prüflinge
von von einem Materiallos gefertigten Sensoren, die ähnliche
chemische und metallurgische Eigenschaften aufweisen, eine Drift
zeigen, die für
alle Sensoren im Los bezeichnend ist. Z.B. kann in einem Temperatursensor
die Drift für
eine oder mehrere Prüflingssensoren
als eine Funktion von z.B. Zeit und Temperatur charakterisiert werden.
Die Driftcharakterisierung würde
dann die Änderung
im Ausgang als eine Funktion von Zeit bei einer spezifizierten Temperaturbedingung
sein. Die Driftcharakterisierung kann in den verschiedensten Formaten, z.B.
Datentabellen und Parameter, die die mathematische Funktion der
Driftänderung
als eine Funktion von Zeit darstellen, in den verschiedensten Medien oder
Geräten,
z.B. EEPROM, RFID-Kennzeichen und Strichcodeetiketts einschließlich eines
Speicherbausteins aufgezeichnet oder gespeichert werden. Ein Sensorsystem
wird gebildet, wenn die im Speicherbaustein gespeicherte Driftcharakterisierung
einem zweiten Sensor zugeordnet wird, der von demselben Materiallos
gefertigt ist.
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In
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird, wenn der zweite Sensor
dann verwendet und überwacht
wird (z.B. in dem Driftkompensations- und -messsystem von 6)
die Driftcharakterisierung (z.B. ein Satz von Parametern) verwendet,
um die Drift in den Sensormessungen zu kompensieren.
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Mit
Bezug nun auf 8 ist ein beispielhaftes Verfahren 800 zur
Charakterisierung eines Sensorprüflings
und zur Kompensation hinsichtlich der Drift in einem Sensormesssystem
veranschaulicht, gemäß mehreren
Aspekten der vorliegenden Erfindung, z.B. in einem Charakterisierungsprüfgerät, das dem
System von 5 ähnelt, und einem Sensormess-
und Kompensationssystem, das dem System von 6 ähnelt. Während das
Verfahren 800 und andere Verfahren hierin als eine Reihe
von Vorgängen
oder Ereignissen unten veranschaulicht und beschrieben sind, ist
es ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung durch die veranschaulichte
Reihenfolge von solchen Vorgängen
oder Ereignissen nicht beschränkt
wird. Z.B. können
einige Vorgänge
in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen
Vorgängen
oder Ereignissen getrennt von denjenigen, die hierin veranschaulicht
und/oder beschrieben sind, stattfinden, gemäß der Erfindung. Zusätzlich können nicht
alle veranschaulichten Schritte erforderlich sein, um eine Methodik
gemäß der vorliegenden
Erfindung auszuführen.
Weiter kann das Verfahren 800 gemäß der vorliegenden Erfindung
im Zusammenhang mit den Kompensationssystemen, -elementen und -geräten, die
hierin veranschaulicht und beschrieben sind, sowie im Zusammenhang
mit anderen Systemen, Elementen und Geräten, die nicht veranschaulicht
sind, ausgeführt
werden.
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Das
beispielhafte Driftkompensationverfahren 800 von 8 beginnt
bei 805. Zu Beginn wird bei 810 ein Sensorprüfling (z.B.
der Sensorprüfling 515 von 5)
einer vorbestimmten Wärmeumgebung,
die eine vorbestimmte Temperatur umfasst, für eine vorbestimmte Zeit in
z.B. einer Wärmeprüfkammer 535 ausgesetzt.
Bei 820 wird der Ausgang des Sensorprüflings (z.B. durch das Messglied 545 von 5) über Zeit
und Temperatur im Vergleich zu einem Bezugssensor (z.B. das Bezugsthermoelement 525 von 5)
gemessen, wobei der Sensorausgang als eine Funktion von z.B. Zeit
und Temperatur geliefert wird. Über
die vorbestimmte Zeit und Temperatur oder z.B. eine Reihe von vorbestimmten
Zeiten und Temperaturen kann der Sensorausgang des Sensorprüflings 515 eine
Drift zeigen, die bei 830 als die Funktion von z.B. Zeit
und Temperatur charakterisiert wird und als eine Driftfunktion des
Prüflings
in z.B. einem Speicher eines Rechners 550 gespeichert wird.
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Parameter
(z.B. mathematische Koeffizienten), die der Driftfunktion (oder
Driftcharakterisierung) zugeordnet sind, werden dann bei 850 zum
zukünftigen
Bezug in einem Speicher-Speicherbaustein 560 (z.B.
einem EEPROM 560 von 5 und 710 von 7A,
einem RFID-Kennzeichen 750 von 7B oder
einem Strichcode 770a-c von 7C) gespeichert,
wobei der Speicher-Speicherbaustein (z.B. 560 von 5 oder 620 von 6),
der dem zweiten Sensor (z.B. 615 von 6)
zugeordnet ist, von demselben Materiallos wie der Prüfsensor 515 gefertigt
ist.
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Wenn
der zweite Sensor 615 später in einem Sensormesssystem,
z.B. dem Sensormess- und Kompensationssystem 600 von 6,
verwendet wird, werden die Driftfunktionsparameter von dem Speicher-Speicherbaustein 620 bei 860 in
z.B. einen Driftkompensationsapparat 635 eingegeben (z.B. 630 und 645 von 6).
Die Driftfunktionsparameter werden zum Kompensieren der Drift im
Ausgang 625 des zweiten Sensors 615 verwendet,
der von demselben Materiallos wie der charakterisierte Sensorprüfling 515 gefertigt
ist.
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Danach
endet das Driftkompensationsverfahren der vorliegenden Erfindung
bei 890. Folglich charakterisiert das beispielhafte Verfahren
der vorliegenden Erfindung eine Driftfunktion eines Prüflingssensors,
speichert Parameter, die der Driftfunktion zugeordnet sind, in einem
Speicher-Speicherbaustein, der einem zweiten Sensor zugeordnet ist,
der von demselben Materiallos gefertigt ist, und kompensiert die
Ausgangsdrift des zweiten Sensors unter Verwendung der Parameter,
die im Speicher-Speicherbaustein, der mit dem zweiten Sensor als
Einheit ausgebildet ist, gespeichert sind.
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9 veranschaulicht
ein Tabellenblatt einer beispielhaften zweidimensionalen Tabelle
von Wärmesensormessdaten 900 als
eine Funktion von Zeit und Drift bei einer vorbestimmten Temperatur,
wie sie z.B. durch das Thermoelementdriftcharakterisierungsprüfgerät von 5 erzeugt
werden kann. Im Allgemeinen kann man beobachten, dass die Drift oder Änderung
in der angezeigten Temperatur des Sensors an Größe zunimmt, während sich
die Einwirkzeit bei einer vorbestimmten Anwendungstemperatur erhöht. Das
2-D-Array von Daten 900 kann z.B. in einem Speicher-Speicherbaustein
vom EEPROM-Typ gespeichert werden, der einem Sensorprüfling zugeordnet
ist und als Einheit mit einem zweiten Sensor ausgebildet ist, der
von demselben Materiallos gefertigt ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung.
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10 veranschaulicht
ein Tabellenblatt von beispielhaften einer Driftfunktion eines charakterisierten
Sensors zugeordneten Parametern 1000. Die Parameter 1000 umfassen
angepasste Datenkoeffizienten von Thermoelementmessdaten, die eine Funktion
von Zeit und Drift bei einer vorbestimmten Temperatur darstellen,
die eine Form aufweisen, die denjenigen von Gleichung 1010 ähneln. Die
beispielhaften Daten sind in drei Segmente T1, T2 und T3 eingeteilt,
wobei jedes z.B. die Driftgleichung 1010 verwendet, die
Datenkoeffizienten C0-C2 aufweist, die ein Zeitsegment tTIEF bis tHOCH überdecken.
Die angepassten Datenkoeffizientenparameter 1000 können z.B.
von den zweidimensionalen Daten 900 hergeleitet sein, die
in 9 tabellarisiert sind. Solche Parameter (z.B.
Werte, Datenkoeffizienten, Datenmessungen, Funktionen) können in einem
Speicher-Speicherbaustein eines Sensorsystems gespeichert werden
und später
in einem Sensordriftkompensationssystem verwendet werden, gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Frfindung, um die Drift in den Messungen eines
Sensors zu kompensieren.
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11 veranschaulicht
eine Kurve 1100, die die Drift mit der Zeit von mehreren
beispielhaften Thermoelementtypen und -materialien für ein Temperaturüberwachungssystem
grafisch darstellt. Z.B. veranschaulicht die Driftauftragung des
Gegenstands #1, Gordontype K, Niedrigdriftthermoelementmaterial,
weiter grafisch die Daten 900, die in 9 tabellarisiert
sind, und die angepassten Datenkoeffizienten 1000 von 10,
die in drei Zeitsegmente T1, T2 und T3 eingeteilt worden sind. Die
Driftauftragungen von 11 umfassen 5 Typen von Thermoelementen
und -materialien, die für
30 Tage bei einer Temperatur von 2300°F thermisch überwacht sind. Die Driftauftragungen
demonstrieren auch die Notwendigkeit zur Charakterisierung und zur
Kompensation der Drift als eine Funktion von Zeit und/oder Temperatur.
Ein Polynom, das stückweise
polynomische Funktionen (z.B. 10) umfasst,
kann nützlich
sein, insbesondere, wenn eine wilde oder etwas unstetige Driftauftragung
charakterisiert wird (z.B. der Gegenstand #3, Nicrobellmantel, Typ
K, Thermoelementauftragung von 11 jenseits
von etwa der 300-Stunden-Zeit).
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Obwohl
drei Zeitsegmente verwendet worden sind, um die Driftcharakteristika
und -parameter der beispielhaften Sensordriftdaten zu beschreiben, kann
eine beliebige Anzahl von Segmenten und Parametern sowie beliebige
mathematische Ausdrücke, Datentabellen
oder Algorithmen verwendet werden, um einen Probenprüfsensor
und einen zweiten Sensor, der demselben Materiallos zugeordnet ist
oder von ihm gefertigt ist, zu beschreiben, und werden im Zusammenhang
der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen.
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12 veranschaulicht
die Veränderlichkeit bei
Driftgeschwindigkeiten aufgrund von unterschiedlichen Anwendungsbedingungen.
Die Kurve von 12 stellt eine Reihe von alternierenden
lokalen minimalen und maximalen Temperaturen entsprechend Driftanzeigen
bei 800 bzw. 1000°C
dar. In jedem Fall wurden die Sensoren der entsprechenden Temperatur
24 h lang ausgesetzt und dann der anderen Temperatur für den nächsten Zyklus
ausgesetzt. Die 800°C-Driftgeschwindigkeit
konnte durch einen Wert von 2E-3°C/Stunde über die
2400-Stunden-Prüfung angenähert werden
oder konnte für
eine präzisere
Driftkompensationsfunktion über
kleinere Intervalle in Untergebiete eingeteilt werden. Die 1000°C konnte
desgleichen mit einer 3E-3°C/Stunde-Driftgeschwindigkeit
angenähert
werden, die geringfügig
höher als
die 800°C-Geschwindigkeit ist.
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Folglich
kann, sei es, dass eine Drift durch Einwirkung einer einzelnen festen
Temperatur- und Zeitumgebung oder mehrerer Temperaturen für mehrere
Zeiten hervorgerufen wird, die Driftfunktion entsprechend dem Driftkompensationssystem
und -verfahren der vorliegenden Erfindung charakterisiert und kompensiert
werden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Ausführungen
veranschaulicht und beschrieben worden ist, kommen anderen Fachleuten beim
Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der angefügten Zeichnungen äquivalente Änderungen
und Modifikationen in den Sinn. Mit speziellem Bezug auf die verschiedenen
Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten (Anordnungen,
Geräte,
Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Ausdrücke (einschließlich eines Bezugs
auf eine "Einrichtung"), die verwendet
werden, um solche Komponenten zu beschreiben, wenn nicht anders
angegeben, jeglicher Komponente entsprechen, die die spezifizierte
Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z.B. die funktional äquivalent
ist), obwohl sie zu der offenbarten Struktur, die die Funktion in
den hierin veranschaulichten beispielhaften Ausführungen der Erfindung ausführt, nicht strukturell äquivalent
ist.