NL9301399A - Drift eliminatie bij sensoren. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: drift eliminatie bij sensoren

De uitvinding heeft betrekking op een nieuwe werkwijze ter eliminatie van drift bij sensoren. In dit schrijven wordt onder sensoren verstaan op-nemers van een signaal S in een gegeven energie domein A met omzetting van dit signaal in een ander energie domein B. Men denke hierbij met name aan electrische of electronische sensoren ten behoeve van het meten van stro-ming(ssnelheden) of druk(variaties). Een sensor heeft dus simultaan een toestand A in het oorspronkelijk energie domein en een toestand B in het uitgangsenergie domein.

De nieuwe werkwijze heeft betrekking op de praktische toepassing van sensoren voor het meten van een physische grootheid S in de aanwezigheid van niet-idealiteiten in de sensor zelf. Ideale sensoren als abstracte inrichtingen mogen vrij zijn van gevoeligheid voor stoor signalen (anders dan de te meten physische grootheid 5), sensoren in werkelijkheid bezitten niet-idealiteiten ten gevolge van technologische beperkingen met als gevolg een eindige gevoeligheid voor stoorsignalen. Dergelijke gevoeligheid voor stoorsig-nalen geeft in de praktijk aanleiding tot het ontstaan van drift, dat wil zeggen ongewenst verloop van het meetsignaal ten gevolge van verloop in stoorsignalen. Drift mag worden geïnterpreteerd als het samengestelde resultaat van ongewenst verloop bij constante S en ongewenst verloop van gevoeligheid voor variaties in S. De huidige werkwijze ten aanzien van het ondervangen van drift verschijnselen bestaat uit het zoeken van steeds zorgvuldigere vervaardigingswijzen. Met name dient te worden genoemd zeer speciale correctie technieken zoals laser trimming, waarin niet-idealiteiten per individuele (gefabriceerde) sensor na het basis productie proces worden verminderd in een streven naar het benaderen van de ideale sensor. De uiteindelijke prestaties van de sensor worden bij deze werkwijze bepaald door de kwaliteit van het productieproces. Bij de nieuwe werkwijze spelen deze technologische beperkingen een ondergeschikte rol.

De nieuwe werkwijze dient ter eliminatie van drift bij constant aangeboden S. De werkwijze is van toepassing op sensoren met een richtingsafhanke-lijke (ook wel: anisotrope) gevoeligheid in twee of meer richtingen. Sensoren met deze eigenschap definiëren een oriëntatie ten opzichte waarvan S in een gegeven medium wordt gemeten.

Men denke hier ter illustratie aan flow sensoren zoals voorgesteld door van Putten in het Amerikaanse OS. 4.548.077, waarbij de gas flow (de te meten physische grootheid S) aanleiding geeft tot thermische gradiënt vorming (een vectoriele grootheid). Deze flow sensor is uitgevoerd in een dun plaatje silicium van 4x4mm, waarin, bij electrische verwarming, een tem-peratuurgradient wordt gegenereerd bij plaatsing in een stromend medium. Een geïntegreerde Wheatstone brug leest een door stroming geïnduceerde temperatuurgradient electrisch af.

De nieuwe werkwijze heeft ten doel het verkrijgen van een enkele meting uit een tweetal deelmetingen bij twee opeenvolgend verschillende sensor toestanden A, in het oorspronkelijke energie domein zoals bovenstaand gedefinieerd, bij constant te meten physische grootheid S. In de aanwezigheid van richtingsafhankelijke gevoeligheid kan dit worden gerealiseerd door het opleggen van twee verschillende relatieve oriëntaties tussen sensor en medium. In de nieuwe werkwijze worden de voornoemde tweetal deelmetingen verkregen door opeenvolgend de sensor in twee verschillende relatieve oriëntaties aan het medium met de te meten physische grootheid S te onderwerpen, welke oriëntaties overeenkomen met verschillende gevoeligheden voor S. In de nieuwe werkwijze, verder te noemen de Alternating Direction Method (ADM) wordt voorgesteld het verschil tussen twee op deze wijze verkregen opeenvolgende deelmetingen te benutten als het ADM signaal De conclusie is dat een sensor die discriminerend werkt voor de te meten physische grootheid S en de te verwachten stoorsignalen in die zin, dat de sensor eerdergenoemde richt-ingsafhankelijkheid bezit voor S, en richtingsonafhankelijk is voor stoorsignalen, een ADM signaal biedt dat vrij is van eerder genoemde drift, op een willekeurig kleine restwaarde na hetwelk a priori begrensd is.

De kracht van ADM kan toegelicht worden bij gasvolume meting met behulp van de flow sensor zoals beschreven door van Putten in eerder genooemd Amerikaans OS. Als ideale sensor (i.e. abstracte inrichting) is deze sensor bidirectioneel in die zin, dat het teken van het meetsignaal ten gevolge van S omkeert, wanneer de stroming over de sensor een rotatie van 180° (90°) ondervindt. Bij realisatie van de sensor treden asymmetrieen op van enkele procenten. Een realistische meting, derhalve, representeert niet alleen de temperatuurgradient over de sensor, het bidirectionele signaal, doch bevat ook een component als functie van de totale dissipatie in de sensor. Drift bij constante S als functie van temperatuur, vochtigheid, oudering etc., bein- vloedt het meetsignaal in de praktijk hoofdzakelijk door variatie in de totale dissipatie en is, derhalve, richtingsonafhankelijk (een unidirectioneel, common-mode signaal). De aangehaalde flow sensor biedt om deze redenen de unieke mogelijkheid tot drift eliminatie door toepassing van ADM. Bij gasvolume meeting integreren we het uitgangssignaal, V, van de sensor over opeenvolgende tijdsintervallen 0 < t\ < t2 < · · · < tk < tk+i < · ·, waarbij ί*+1 — t*. = At. Introduceren we qj. als het gemeten gasvolume over de tijdsspanne tk — tk-i bij stroming over de sensor alternerend met 180° (90°) relatieve flow richting, dan geldt

Hier hebben we het uitgangssignaal geschreven zoals samensgesteld uit het zuivere Vfiow signaal en ongewenste drift, Vdrijt- Het ADM volume, Q^DM> volgt nu als:

met ADM restwaarde

De ADM restwaarde heeft de eigenschap

in de limiet At —» 0, waarbij in=const. ADM elimineert, derhalve, ongewenste bijdrage ten gevolge van drift in gas volume meting op een restwaarde na in de orde van 2AtVdrijt· ADM wordt toegelicht met de volgende twee mogelijke uitvoeringsvormen.

Eerste mogelijke uitvoeringsvorm. In Figuur 1 is getoond een uitvoeringsvorm van een gasvolume meter, waarbij de twee verschillende relatieve oriëntaties tussen sensor S en medium zijn verkregen door het medium afwisselend van richting door een meetsectie M met vast geplaatste sensor houder H te sturen. Hiertoe dient een stromingsschakeleenheid te worden gerealiseerd door middel van een tweetal flow schakelaars, SL en SR. Linksom (rechtsom) stromende doorstroming wordt verkregen door LI (L2) en Rl (R2) open te stellen voor doortroming vanuit HL en HR, respectievelijk, waarbij L2 (LI) en R2 (Rl) gesloten dienen te blijven. Stroming linksom wordt gerealiseerd via de T-stukken TL en TR, hetwelke verbindingen leggen tussen de meetsectie M en de schakelaars SL en SR, respectievelijk. Stroming rechtsom wordt gerealiseerd door twee verbindingsstukken BL en BR, verbindingen tussen de met de meetsectie M verbonden T-stukken TL en TR en schakelaars SR en SL, respectievelijk. Instelling van de stromingsschakeleenheid voor doorstroming door de meetsectie linksom en rechtsom resulteert in twee relatieve oriëntaties tussen sensor en medium die 180° met elkaar verschillen. Bij gebruik van de sensor zoals beschreven in het eerder aangehaalde OS. met 180° richt-ingsgevoeligheid (de bidirectionele eigenschap van deze sensor) kan nu ADM worden toegepast, door verkrijging van de twee deelmetingen bij opeenvolgend van richting omkerende stroming.

Tweede mogelijke uitvoeringsvorm. In Figuur 2 is getoond een uitvoeringsvorm van de gasvolume meter, waarbij de twee verschillende relatieve oriëntaties tussen sensor S en medium zijn verkregen door de sensor afwisselend in twee verschillende standen te zetten in een meetsectie M met vaste doorstroom-richting (van links naar rechts in deze Figuur). Hiertoe dient een draaiin-richting D te worden gerealiseerd, waarin de sensor houder H, overeenkomend met die aangegeven in Figuur 2, nu wisselend een halve slag heen (180°) en een halve slag terug (—180°) wordt gedraaid. Bij voorgaand gebruik van de sensor kan ADM worden toegepast, door verkrijging van de twee deel-metingen in de zo afwisselend optredende standen 1 en 2 van de sensor, zoals aangegeven in de omleinde uitzetting.

Proeven tonen aan dat met ADM de eerder genoemde üow sensor een dynamisch bereik verkrijgt tot drie decaden, van lcms-1 tot 10ms-1 met reproduceerbaarheid binnen 1%. Hiermee zijn nieuwe metingen mogelijk, die verder reiken dan bestaande inrichtingen mogelijk maken.

Claims (3)

1. Werkwijze ter eliminatie van drift in sensoren met richtingsafhankelijke gevoeligheid in twee of meer richtingen met het kenmerk dat de Altemating Direction Method (ADM) is toegepast.

2. Werkwijze zoals vermeld onder claim 1 met het kenmerk dat ADM wordt toegepast waarbij ten behoeve van de twee deelmetingen zoals bovenstaand gedefinieerd, de twee oriëntaties van de sensor ten opzichte van het te bemeten medium worden bereikt door het medium met de te meten physische grootheid S alternerend in twee verschillende richtingen aan te bieden aan de sensor (resulterend in twee relatieve richtingen met voor S verschillende gevoeligheden).

3. Werkwijze zoals vermeld onder claim 1 met het kenmerk dat ADM wordt toegepast waarbij ten behoeve van de twee deelmetingen zoals bovenstaand gedefinieerd, de twee oriëntaties van de sensor ten opzicht van het te bemeten medium worden bereikt door de sensor alternerend in twee verschillende standen te zetten in het medium met de te meten physische grootheid S (resulterend in twee relatieve richtingen met voor S verschillende gevoeligheden).