DE102005029114A1

DE102005029114A1 - Verfahren zur Reduzierung von Messfehlern bei Kombinations-Druck-Sensoren und Anordnung von Kombinations-Druck-Sensoren

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Publication number: DE102005029114A1
Application number: DE200510029114
Authority: DE
Inventors: Heinz Ploechinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: DE102005029114B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Messen von Druck in einem großen Bereich, insbesondere von Absolutdruck im Bereich von atmosphärischem Druck bis in den Ultrahochvakuum-Bereich hinein. Da kein Messprinzip bekannt ist, das alleine den gesamten Bereich abdeckt, werden meist unterschiedliche Prinzipien aneinandergereiht. DOLLAR A Zur Einsparung von Kosten und zur Verringerung des Platzbedarfs wurden Sensor-Anordnungen entwickelt, die mehrere Messprinzipien vereinigen. Für diese Kombinations-Druck-Sensoren sind Methoden der Wertangleichung im Bereich der Überlappung von zwei unterschiedlichen Sensoren notwendig, um auch in diesem Übergangsbereich ein eindeutiges "Ausgabe-Signal" zu erzielen. DOLLAR A In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Beobachtung der Signale der beteiligten Sensoren auch außerhalb des Überlappungsbereiches automatisch ein günstiger "Wertangleichungsbereich" ermittelt und damit der Fehler im Ausgabe-Signal verringert wird. DOLLAR A Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren, das die gleiche Beobachtungs-Methode nutzt, hat zum Ziel, einen der Drucksensoren automatisch nachzujustieren in einem Zustand, in dem sein "Sensor-Signal" nicht in das "Ausgabe-Signal" einbezogen ist. DOLLAR A Weiter werden Anordnungen von Drucksensoren beschrieben, die sich für obige Verfahren eignen.

Description

Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Messen von Druck in einem großen Bereich, insbesondere von Absolutdruck im Bereich von atmosphärischem Druck bis in den Ultrahochvakuum-Bereich hinein. Da kein Messprinzip bekannt ist, das alleine den gesamten Bereich abdeckt, werden meist unterschiedliche Prinzipien aneinandergereiht.
Zur Einsparung von Kosten und zur Verringerung des Platzbedarfs wurden Sensor-Anordnungen entwickelt, die mehrere Messprinzipien vereinigen.
Für diese Kombinations-Druck-Sensoren sind Methoden der Wertangleichung im Bereich der Überlappung von zwei unterschiedlichen Sensoren notwendig, um auch in diesem Übergangsbereich ein eindeutiges „Ausgabe-Signal" zu erzielen.
In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Beobachtung der Signale der beteiligten Sensoren auch außerhalb des Überlappungsbereiches automatisch ein günstiger „Wertangleichungsbereich" ermittelt und damit der Fehler im Ausgabe-Signal verringert wird.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren, das die gleiche Beobachtungs-Methode nutzt, hat zum Ziel, einen der Drucksensoren automatisch nach zu justieren in einem Zustand, in dem sein „Sensor-Signal" nicht in das „Ausgabe-Signal" einbezogen ist.
Weiter werden Anordnungen von Drucksensoren beschrieben, die sich für obige Verfahren eignen.
Definitionen
In der vorliegenden Schrift werden folgende Begriffe verwendet:
Als „Sensor" wird ein Messaufnehmer bezeichnet, bestehend aus Sensor-Element und erster Signalaufbereitung, vorzugsweise in digitaler Form, wobei Mikroprozessor, A/D-Wandler, Zeitmessung mit Pulsweitenmodulation oder ähnliche bekannte Mittel zur digitalen Signalaufbereitung verwendet sein können, optional mit Versorgungseinheit.
Sein Signal wird als „Sensor-Signal" bezeichnet und besteht aus normierten Werten, die vorzugsweise bereits linearisiert und von Umgebungstemperatur-Einflüssen bereinigt sind.
Ein solches normiertes „Sensor-Signal" (f, g) hat eine Mindest-Auflösung (Δf, Δg), die bei einer digitalen Messwertausgabe maximal einen Digitsprung bewirkt.
Als „Ausgabe-Signal" A des Kombinations-Druck-Sensors wird das Signal bezeichnet, das die „Sensor-Signale" von zwei oder mehreren kombinierten Sensoren enthalten kann, vorzugsweise in digitaler Form, wobei optional eine Weiterverarbeitung des aufbereiteten „Sensor-Signals" in ein analoges Signal erfolgt. Das „Ausgabe-Signal" A hat eine Mindest-Auflösung ΔA > Δf, Δg, da sonst keine stetige Wertangleichung im Rahmen der Auflösung möglich ist.
Eine grafische Darstellung der Einflussgrößen wird in den 1, 2 und 3 gezeigt:
1 zeigt für ein erstes „Sensor-Signal" den wahren Druck (105) und den gemessenen Druck (106) in logarithmischer Darstellung, sowie die Ideallinie (109).
Die Nenn-Kennlinie eines realen Sensors ist mit (1015) bezeichnet.
Weitere reale Exemplare dieser Sensorgattung könnten im Bereich der Toleranzlinien (1011) und (1012) liegen.
Ebenso kann ein Driften des realen Sensors (101) zu Verschiebungen innerhalb der Toleranzlinien (1011) und (1012) führen.
Den Bereich zwischen (1011) und (1012) bezeichnet man üblicherweise als Toleranzband. Aus diesem Toleranzband ergibt sich ein „unterer Grenzdruck" (1013) des Sensors (101).
2 zeigt für ein zweites „Sensor-Signal" den wahren Druck (205), den gemessenen Druck (206), sowie die Ideallinie (209).
Die Nenn-Kennlinie eines realen Sensors ist mit (2015) bezeichnet.
Weitere reale Exemplare dieser Sensorgattung könnten im Bereich der Toleranzlinien (2021) und (2022) liegen.
In der vorliegenden Anmeldung werden diese Abweichungen als „sensortypische Toleranzen" bezeichnet.
Ein Driften des realen Sensors (202) kann zu Verschiebungen innerhalb der Toleranzlinien (2021) und (2022) führen.
In der vorliegenden Anmeldung werden diese Abweichungen als „individuelle Toleranzen" bezeichnet.
Den Bereich zwischen (2021) und (2022) bezeichnet man wiederum als das Toleranzband. Aus diesem Toleranzband ergibt sich ein „oberer Grenzdruck" (2023) dieses Sensors.
3 zeigt eine Überlagerung aus 1 und 2, wobei die realen Sensoren (301) und (302) nicht auf der Ideallinie (309) liegen, wie es häufig der Praxis entspricht.
(3013) ist der „untere Grenzdruck" von Sensor (301), (3023) ist der „obere Grenzdruck" von Sensor (302). Zwischen (3011) und (3012) sowie zwischen (3021) und (3022) liegt das jeweilige Toleranzband.
Als „Überlappungsbereich" (303) wird der Bereich zwischen „unterem Grenzdruck" (3013) des oberen Sensors (301) und „oberem Grenzdruck" (3023) des unteren Sensors (302) bezeichnet.
Als „Wertangleichungsbereich" (304) wird ein Bereich innerhalb des „Überlappungsbereichs" (303) bezeichnet, in dem die Wertangleichung stattfindet und der erfindungsgemäß dynamisch festgelegt wird.
Als „unterer Beobachtungsbereich" (307) wird der Bereich unterhalb des „unteren Grenzdrucks" (3013) des oberen Sensors (301), als „oberer Beobachtungsbereich" (308) wird der Bereich oberhalb des „oberen Grenzdrucks" (3023) des unteren Sensors (302) bezeichnet.
In den 4a, 4b, 4c ist das Flussdiagramm des Verfahrens zur Wertangleichung dargestellt. Hierin bedeuten:

Zustand 00:: Es findet gerade keine Wertangleichung statt und das „Ausgabe-Signal" A entspricht dem „Sensor-Signal" g ((302), 3).
Zustand 11:: Es findet gerade keine Wertangleichung statt und das „Ausgabe-Signal" A entspricht dem „Sensor-Signal" f ((301), 3).
Zustand 01:: Die Wertangleichung findet ausgehend von „Sensor-Signal" g ((302), 3) in Richtung „Sensor-Signal" f ((301), 3) statt.
Zustand 10:: Die Wertangleichung findet ausgehend von „Sensor-Signal" f ((301), 3) in Richtung „Sensor-Signal" g ((302), 3) statt.
ΔWA:: „Wertangleichungsbereich".
ε_p:: „Parallelitätstoleranz" (z.B. 2 Digits). Gibt an wie weit die Signale von der Parallelität abweichen dürfen um noch als parallel zu gelten.
ε_s:: „Stabilitätsabstand" (z.B. 10 Digits). Notwendig um den Gradienten der Signale sicher bestimmen zu können, damit zufällige Schwankungen (z.B. Digitsprung) nicht als Druckänderung interpretiert werden.
N_min:: minimale Anzahl von Schritten, die nötig sind um eine stetige Wertangleichung im Rahmen der Auflösung zu garantieren.

Bereits 1990 entwickelt, angeboten, verkauft und seitdem mit der ebenfalls in 1990 mitentwickelten Software in Betrieb sind Systeme mit dem Kombinations-Sensor VSKP 45M und dem Mikroprozessor- Mess- und Regelgerät VD75 der Firma Thyracont Elektronic GmbH, Passau.

Eine öffentliche Vorstellung dieses Systems erfolgte beim 3. Symposium Mikrosystemtechnik am 17./18. Februar 1993 in Regensburg und bei einem Vortrag auf der Industriemesse Achema in Frankfurt, der am 7. Juni 1994 gehalten wurde, sowie in der Zeitschrift LABO 9/93.

In diesem Kombinations-Druck-Sensor ist ein piezoresistiver Absolutdruck-Sensor mit einem miniaturisierten Pirani-Sensor kombiniert.

Zur Überwindung der Diskontinuität werden beide Signale in einer nach geschalteten Elektronik gegeneinander gewichtet.

Die Gewichtung erfolgt in linearer Weise, wobei an einem festgelegten Ende des „Überlappungsbereichs" das „Ausgangs-Signal" zu 100% dem des piezoresistiven Sensors entspricht, während an einem anderen festgelegten unteren Punkt des „Überlappungsbereichs" das „Ausgabe-Signal" zu 100% dem des Pirani-Sensors entspricht.

So wird ein fließender Übergang im festgelegten Abschnitt des „Überlappungsbereiches" geschaffen und es entsteht ein stetiges „Ausgabe-Signal".

Hierzu sei auf das U.S.-Patent Nr. 5 583 297 verwiesen. Dort wird obiger Sensor VSKP 45M als Stand der Technik genannt. Dessen Funktionsweise wird in dieser Schrift offenbar fehl interpretiert, da das in der US 5 583 297 beschriebene Verfahren der oben beschriebenen Gewichtung bei der Auswertung der Sensor-Signale des Kombinations-Sensors VSKP 45M entspricht.

Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass in einem vorher festgelegten Abschnitt des „Überlappungsbereiches" die Wertangleichung durchgeführt wird, was dazu führen kann, dass das stetige „Ausgabe-Signal" eine größere Abweichung vom wahren Wert haben kann, als nötig.

Wenn beispielsweise der erste Sensor auch im „Überlappungsbereich" hohe Genauigkeit, also gute Übereinstimmung zwischen gemessenem und wahrem Wert aufweist, der zweite Sensor jedoch im festgelegten Abschnitt oder in einem Teilbereich des festgelegten Abschnitts zur Wertangleichung in größerem Maß fehlerhaft ist, wird das ausgegebene stetige „Ausgangs-Signal" durch die prozentuale Einbeziehung des fehlerhaften Signals vom zweiten Sensor unnötig verfälscht.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Druckmessung, das zwei oder mehrere Drucksensoren kombiniert, ist in der Schrift des Anmelders DE 198 60 500 A1 beschrieben. Vorzugsweise werden darin bestimmte Eigenschaften eines ersten Sensors benutzt, um Abweichungen eines zweiten Sensors zu korrigieren.

Ein Verfahren zur Wertangleichung ist dieser Schrift nicht zu entnehmen.

Im Anspruch 17 des US-Patents US 2002129657 wird ein Messverfahren für Sensor-Kombinationen mit kapazitivem und Pirani-Sensor beschrieben.

Mit dem „Sensor-Signal" des zweiten Sensors wir der Offset im „Sensor-Signal" des ersten Sensor kompensiert. Dabei wird von festgelegten Schwellwerten („threshold values") ausgegangen, bei der diese Offset-Kompensation stattfindet.

Das deutsche Patent DE 44 45 534 C1 beschreibt ein Verfahren zum Gewinnen eines Kalibrierwertes für piezoelektrische Drucksensoren. Für Druck-Kalibrierung im Fein oder Hochvakuumbereich ist es nicht verwendbar.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Reduzierung von Messfehlern bei Kombinations-Druck-Sensoren zu beschreiben, das ausgehend von den individuellen Eigenschaften der jeweiligen Sensoren den Fehler im „Ausgabe-Signal" automatisch minimiert.

Dabei soll

1. eine Wertangleichung vorgenommen werden, die sich nur über einen tatsächlich notwendigen „Wertangleichungsbereich" (304) erstreckt und
2. eine Beobachtung des jeweils nicht in die Anzeige des Ausgabe-Signals einfließenden Sensors außerhalb des „Überlappungsbereiches" (303) erfolgen, um vorteilhaft bei Bedarf Justierwerte gewinnen zu können.

Das erste Verfahren soll in der Lage sein, während des Betriebes selbsttätig den „Wertangleichungsbereich" innerhalb des „Überlappungsbereichs" so klein wie möglich festzulegen. Damit soll gewährleistet sein, dass die Abweichung des ausgegebenen Druckwertes zum wahren Druck minimiert ist, bewertet nach allen möglichen Fällen.

Das Verfahren soll anwendbar sein in jeder Richtung einer Druckänderung.

Das zweite Verfahren soll in der Lage sein, optional unter Verwendung des Verfahrens DE 198 60 500 A1 Anspruch 14ff, eine automatische Justierung oder Nachjustierung durchzuführen.

Dieses Verfahren soll geeignet sein, beispielsweise den Nulldruck eines Pirani-Sensors oder eines kapazitiven Sensors oder eines piezoresistiven Sensors oder anderer Sensoren für den Grob- und Feinvakuumbereich durch die Beobachtung der betreffenden Sensoren über den „Überlappungsbereich" (303) hinaus im „unteren Beobachtungsbereich" (307) festzustellen.

Weiter soll das Verfahren geeignet sein, beispielsweise den Anlage-Druck eines kapazitiven Sensors oder die obere Messbereichsgrenze anderer Sensoren für Vakuum durch die Beobachtung der betreffenden Sensoren über den „Überlappungsbereich" (303) hinaus im „oberen Beobachtungsbereich" (308) festzustellen.

Die Beobachtung der Sensoren über den „Überlappungsbereich" hinaus sollte auch zu einer Aussage über die aktuelle Funktionstüchtigkeit der Sensoren genutzt werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Anordnungen von Kombinations-Druck-Sensoren zu beschreiben, die sich für obige Verfahren eignen.

Erfindungsgemäße Lösungen

Die erfindungsgemäßen Lösungen gehen von einer paarweisen Überlappung mehrerer Druckbereiche aus (s. 3).

Das Signal feines Sensors (301) entspricht dem oberen Druckbereich, das Signal g eines zweiten Sensors (302) dem unteren Druckbereich.

Für den Sensor (301) existiert ein „unterer Grenzdruck" (3013) f_Min, der den „Überlappungsbereich" (303) nach unten abschließt.

Für den Sensor (302) existiert ein „oberer Grenzdruck" (3023) g_Max, der den „Überlappungsbereich" (303) nach oben abschließt.

Beide Sensoren liefern ein Signal, dass zwar dem wahren Druck folgt, aber innerhalb der Toleranzlinien vom wahren Wert abweichen kann.

Lösung für Aufgabenstellung 1 (Wertangleichung):

Die erfindungsgemäße Lösung von Aufgabenstellung 1 beruht auf einer automatischen Findung des Wertangleichungsbereiches.

Deshalb soll zuerst kurz erörtert werden, wann es günstig ist mit der Wertangleichung zu beginnen und warum diese in einem möglichst kleinen Bereich erfolgen sollte.

Innerhalb des „Überlappungsbereichs" (303) betrachtet man die Funktion Δ(p) = logb(f(p)) – logb(g(p)),als Funktion des wahren Druckes p.

Verlaufen die Kennlinien der Sensoren im doppelt logarithmischen Diagramm (3) parallel, so ist Δ(p) = C konstant und es gilt mit c = b^c: f(p) = cg(p)das heißt die Signale f und g unterscheiden sich um den konstanten Faktor c, der z. B. der Gasartkorrekturfaktor eines Pirani-Sensors sein kann.

Verlaufen die Kennlinien der Sensoren im doppelt logarithmischen Diagramm nicht parallel, so wächst Δ(p) lokal entweder monoton an oder Δ(p) fällt monoton, da die Kennlinien monotone Funktionen sind. Dies bedeutet aber, dass die Signale f und g entweder aufeinander zulaufen oder sich voneinander entfernen.

Der Quotient der Signale f und g ändert sich hierbei mit der Exponentialfunktion b^Δ(p): f(p)/g(p) = bΔ(p).

Findet nun in einem solchen Bereich, in dem Δ(p) monoton wächst oder monoton fällt, die Wertangleichung z.B. mit linearer prozentualer Gewichtung der „Sensor-Signale" statt, so entsteht eine Abweichung des „Ausgabe-Signals" vom wahren Wert, der unnötig hoch ist:
Durch das Auseinander- bzw. Zusammen-Driften der „Sensor-Signale" f und g entsprechend der Exponentialfunktion b^Δ(p) muss mindestens eines der „Sensor-Signale" in zunehmenden bzw. abnehmenden Maße vom wahren Wert abweichen.

Dieser Fehler geht dann linear in die Wertangleichung ein und führt zu unnötig großen Abweichungen.

Findet die Wertangleichung aber in einem Bereich statt, in dem Δ(p) im Rahmen der Messgenauigkeit konstant oder annähernd konstant ist, dann weichen die „Sensor-Signale" nur um einen konstanten Faktor voneinander ab. Damit verfälscht bei einer stetigen Wertangleichung kein „Sensor-Signal" das andere mehr als nötig.

Weiterhin sollte die Angleichung in einem möglichst kleinen Bereich stattfinden. Da der Kennlinienverlauf nicht a priori bekannt ist, besteht dir Möglichkeit, dass das die „Sensor-Signale" beginnen auseinander zu driften und die Wertangleichung müsste dann im ungünstigen Bereich fortgesetzt werden.

Nachfolgend soll nun das Verfahren zur Wertangleichung anhand der Flussdiagramme 4a–c beschrieben werden.

Das Diagramm in 4a zeigt das allgemeine Ablaufschema für die Wertangleichung:
Zuerst wird in einer Fehler- und Plausibilitätsabfrage überprüft, ob eine Wertangleichung sinnvoll ist (z.B. könnte ein Sensor defekt sein). Liegt kein Fehler vor, so kann das Verfahren fortgesetzt werden.

Das Verfahren gliedert sich zunächst in zwei große Blöcke. Nämlich dem Unterprogramm „Wertangleichungsbereich finden", wenn Zustand = 00 oder Zustand = 11 vorliegt, und dem Unterprogramm „Wertangleichung läuft", wenn die beiden anderen Zustände 01 bzw. 10 vorliegen.

Anhand des Flussdiagramms in 4b wird nun das Unterprogramm „Wertangleichungsbereich finden" beschrieben:
Es dient dazu ein Kriterium für den Beginn der Wertangleichung zu finden und die Größe des „Wertangleichungsbereichs" festzusetzen.

Nach Voraussetzung liegt entweder Zustand = 00 oder Zustand = 11 vor, d.h. es findet definitionsgemäß gerade keine Wertangleichung statt.

Zuerst wird jetzt überprüft in welchem Bereich sich die „Sensor-Signale" befinden. Befindet sich das Signal f des Sensors (301, 3) oberhalb des „Überlappungsbereichs" (303), so wird f als „Ausgabe-Signal" A angezeigt und Zustand = 11 gesetzt, liegt es aber unterhalb, so wird das Signal g des Sensors (302) angezeigt und Zustand = 00 gesetzt. Die aktuellen Signale werden gespeichert (f₀ = f, g₀ = g).

Wie man im Flussdiagramm in 4b erkennt, zerfällt nun das Verfahren abhängig vom Zustand in zwei Äste und es befindet sich wenigstens ein „Sensor-Signal" f oder g innerhalb des „Überlappungsbereichs". Der Zustand bestimmt in welcher Richtung eine gegebenenfalls nachher stattfindende Wertangleichung stattfinden soll:
Zustand = 11, fallender Druck → Wertangleichung von f nach g.
Zustand = 00, steigender Druck → Wertangleichung von g nach f.

Zur weiteren Beschreibung des Verfahrens soll nun o.B.d.A. angenommen werden, dass das „Sensor-Signal" f (301) innerhalb des „Überlappungsbereiches" (303) liegt und Zustand = 11 vorliegt (linker Teil des Flussdiagramms in 4b).

Es wird nun überprüft, ob auch das „Sensor-Signal" g innerhalb des „Überlappungsbereiches" (303) liegt. Ist dies der Fall, muss wegen der Stabilität des Verfahrens überprüft werden, ob das „Sensor-Signal" f um mindestens den „Stabilitätsabstand" ε_s kleiner ist als das zuvor gespeicherte „Sensor-Signal" f₀. Trifft auch dies zu, so werden folgende Terme berechnet: Δ0 = |logb(f0) – logb(g0)|, Δ1 = |logb(f) – logb(g)|, Nmin = Δ1/(ΔA – max(Δf, Δg)

Δ₀ und Δ₁ beschreiben die Differenz der Signale im logarithmischen Maßstab, N_min ist die minimale Anzahl an Wertangleichungs-Schritten, die innerhalb der Auflösung für eine stetige Wertangleichung notwendig sind.

Anhand der Werte gilt es nun zu überprüfen, ob die Bedingungen für den Beginn einer Wertangleichung gegeben sind. Hierbei sind folgende Fälle zu unterscheiden:

1.) Ist f – f_min ≤ N_min·max(Δf, Δg), dann muß sofort mit der Wertangleichung begonnen werden, um noch eine stetige Wertangleichung innerhalb der Auflösung max(Δf, Δg) zu erreichen, ohne dass der untere Grenzdruck f_min unterschritten wird. Als Intervall des „Wertangleichungsbereichs" wird ΔWA = f – f_min gesetzt, mit f₀ ≔ f als oberer und f_min = f₀ – ΔWA als unterer Grenze. Es wird der Zustand = 10 (Wertangleichung von f nach g läuft) gesetzt und die aktuellen „Sensor-Signale" (f₀ ≔ f, g₀ ≔ g) werden gespeichert. Ist obige Bedingung nicht erfüllt, dann geht es mit Fall 2.) weiter:
2.) Ist |Δ₁ – Δ₀| ≤ ε_p, dann unterscheiden sich die „Sensor-Signale" um weniger als die „Parallelitätstoleranz" ε_p, d.h. sie verlaufen im doppelt logarithmischen Diagramm annähernd parallel und die „Sensor-Signale" f und g unterscheiden sich um einen konstanten Faktor. Es wird daher mit der Wertangleichung begonnen. Das Intervall des „Wertangleichungsbereichs" (304) wird nun nach der Formel ΔWA = Nmin·max(Δf, Δg)dynamisch bestimmt. Mit diesem Intervall ist gewährleistet, dass die Wertangleichung auf einen Bereich beschränkt bleibt, der der geforderten Auflösung entspricht. Die obere Grenze des „Wertangleichungsbereichs" (304) ist f₀, die untere Grenze berechnet sich zu f₀ – ΔWA. Wie in Fall 1.) werden die „Sensor-Signale gespeichert und der Zustand = 10 gesetzt.
3.) Ist Δ₁ – Δ₀ > ε_p, dann muß sofort mit der Wertangleichung begonnen werden, denn die „Sensor-Signale" f und g beginnen auseinander zu laufen.
Die Speicherung, das Setzen des Zustandes und des „Wertangleichungsbereichs" erfolgt genauso wie in Fall 2.).
4.) Ist Δ₀ – Δ₁ >ε_p, dann laufen die „Sensor-Signale" f und g noch aufeinander zu und es gibt nichts zu tun.

Die Fälle 2.), 3.) und 4.) sind im Flussdiagramm in 4b zu einer Fallunterscheidung (Δ₀ – Δ₁ > ε_p ?) zusammengefasst, da sich Fälle 2.) und 3.) von der Ausführung her nicht unterscheiden.

Analog zu dem gerade beschriebenem Verfahren wird im rechten Teil des Flussdiagramms in 4b verfahren, falls das „Sensor-Signal" g (302) innerhalb des „Überlappungsbereiches" (303) liegt und Zustand = 00 vorliegt.

Die Beschreibung des Unterprogramms „Wertangleichungsbereich finden" ist damit abgeschlossen und es soll nun anhand des Flussdiagramms in 4c das Unterprogramm „Wertangleichung läuft" erklärt werden: Definitionsgemäß befindet sich das System in einem der Zustände 10 oder 01.

Hierin bedeutet:
Zustand = 10, fallender Druck → Wertangleichung von f nach g.
Zustand = 01, steigender Druck → Wertangleichung von g nach f.

Zuerst wird nun überprüft, ob sich das „Sensor-Signal" f noch innerhalb des „Wertangleichungsbereiches" befindet.

Liegt das „Sensor-Signal" f oberhalb des „Wertangleichungsbereichs" (f > f₀: Zustand = 10, f > f₀ + ΔWA : Zustand = 01) so wird Zustand = 11 gesetzt und das „Sensor-Signal" f dem „Ausgabe-Signal" A zugeführt.

Liegt das „Sensor-Signal" f unterhalb des „Wertangleichungsbereichs" (f < f₀: Zustand = 01, f < f₀ – ΔWA : Zustand = 10) so wird Zustand = 00 gesetzt und das „Sensor-Signal" g dem „Ausgabe-Signal" A zugeführt.

In beiden Fällen werden die aktuellen „Sensor-Signale" (f₀ ≔ f, g₀ ≔ g) gespeichert.

Befindet das „Sensor-Signal" f innerhalb des „Wertangleichungsbereichs" (304), so findet eine Wertangleichung nach folgender Formel statt: A(f, g) = a(f)·f + (1 – a(f))·g,wobei A dem „Ausgabe-Signal" entspricht und a(f) eine stetige Gewichtungsfunktion ist.

Je nach Zustand (Wertangleichung von f nach g bzw. von g nach f) wird nun die Gewichtungsfunktion a(f) festgelegt:
Beispielsweise kann a(f) die lineare Funktion. a(f) = 1 – (f0 – f)/ΔWA : Zustand = 10 bzw. a(f) = (f – f0)/ΔWA : Zustand = 01sein.

An der „oberen Grenze" des dynamisch ermittelten „Wertangleichungsbereichs" (304) entspricht das „Ausgabe-Signal" zu 100% dem „Sensor-Signal" f des ersten Sensors (301), an der „unteren Grenze" zu 100% dem „Sensor-Signal" g des zweiten Sensors (302).

Damit ist nun auch das Unterprogramm „Wertangleichung läuft" vollständig beschrieben.

Lösung für Aufgabenstellung 2 (Gewinnung von Justierwerten): Voraussetzung für dieses Verfahren ist eine digitale Signalverarbeitung vorzugsweise mittels A/D-Wandler (ADC = analog to digital converter oder TDC = time to digital converter, optional wie in der DE 101 15 715 B4 ) und Mikroprozessor.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, vollautomatisch abzulaufen.

Es kann jedoch auch gezielt gestartet werden.

Der erfindungsgemässe Ablauf ist in einem Flussdiagramm (4) dargestellt.

Beispiel 1:

Der zu kalibrierende Sensor ist (301).

Befindet sich das „Sensor-Signal" g des Sensors (302) innerhalb des „unteren Beobachtungsbereiches" (307), so wird kontinuierlich (bzw. in kurzen Zeitabständen) der Abstand dieses Signals zum „unteren Grenzdruck" f_min (3013) festgestellt.

Wenn das „Sensor-Signal" g einen Wert erreicht, der beispielsweise zwei Dekaden unterhalb des „unteren Grenzdruckes" f_Min (3013) liegt, wird ein Beobachtungszeitgeber gestartet.

Wenn innerhalb einer diesem Zeitgeber vorgegebenen Beobachtungszeit das „Sensor-Signal" f des zu justierenden Sensors (301) stabil steht, das heißt, wenn sich der Wert des „Sensor-Signals" f des zu justierenden Sensors beispielsweise nicht mehr als +/–2 A/D-Schritte oder Zeitschritte ändert und wenn im Ablauf-Zeitpunkt der Beobachtungszeit die Abweichung des momentanen „Sensor-Signals" f vom letzten Nullpunkt-Justierwert (f) einen vorgegebenen maximal zulässigen Betrag (vorzugsweise einige A/D-schritte oder Zeitschritte) übersteigt,
dann wird der Wert dieses momentan anliegenden „Sensor-Signals" f als neuer Nullpunkt-Justierwert für den zu justierenden Sensor automatisch abgespeichert.

Beispiel 2:

Der zu kalibrierende Sensor ist (302).

Befindet sich das „Sensor-Signal" f des Sensors (301) innerhalb des „oberen Beobachtungsbereiches" (308), so wird kontinuierlich (bzw. in kurzen Zeitabständen) der Abstand dieses Signals zum „oberen Grenzdruck" g_max (3023) festgestellt.

Wenn das „Sensor-Signal" feinen Wert erreicht, der beispielsweise eine Dekade oberhalb des „oberen Grenzdruckes" g_max (3023) liegt, wird ein Beobachtungszeitgeber gestartet.

Wenn innerhalb einer diesem Zeitgeber vorgegebenen Beobachtungszeit das „Sensor-Signal" g des zu justierenden Sensors (302) stabil steht, das heißt, wenn sich der Wert des „Sensor-Signals" g des zu justierenden Sensors beispielsweise nicht mehr als +/–2 A/D-Schritte oder Zeitschritte ändert und wenn im Ablauf-Zeitpunkt der Beobachtungszeit die Abweichung des momentanen „Sensor-Signals" g vom letzten Nullpunkt-Justierwert (g) einen vorgegebenen maximal zulässigen Betrag (vorzugsweise einige A/D-Schritte oder Zeitschritte) übersteigt,
dann wird der Wert dieses momentan anliegenden „Sensor-Signals" g als neuer Nullpunkt-Justierwert für den zu justierenden Sensor automatisch abgespeichert.

Beispiel für Selbstdiagnose:

Wenn die Abweichungen der momentanen, aktuellen „Sensor-Signale" von den zuletzt abgespeicherten Justierwerten gravierend abweichen, kann auf einen Defekt am jeweiligen Sensor-Element oder an der betreffenden Messkette geschlossen werden. Optional kann die Ausgabe eines Störsignals erfolgen.

Erreichte Vorteile:

Im Gegensatz zu dem Verfahren der Messwertangleichung laut U.S. Patent Nr. 5 583 297, das mit einem vorher festgesetzten „Wertangleichungsbereich" arbeitet, wird der Einsatzpunkt der Angleichung erfindungsgemäß dynamisch in Abhängigkeit von den Ausgabe-Signalen der Sensoren berechnet. Dadurch wird verhindert, dass eine Angleichung schon dann stattfindet, wenn das Sensor-Signal eines Sensors noch sehr ungenau ist und somit eine Verfälschung des Ausgabe-Signals bewirken würde.

Wenn sich durch Einwirkung unterschiedlicher Messmedien, durch Alterung oder sonstige Einflüsse die Kennlinie eines der Sensoren ändert, wird sowohl das erfindungsgemäße automatische Wertangleichungsverfahren, wie auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Justierung eine Verbesserung der Genauigkeit des Ausgabe-Signals zur Folge haben.

Am Beispiel eines Pirani-Sensors kann gezeigt werden, dass durch das dynamische Ermitteln des Bereiches zur Wertangleichung die Angleichung im linearen Bereich stattfindet, wo die Genauigkeit des Sensors am höchsten ist.

Durch Verfahren 2 wird sichergestellt, dass die Kennlinien der realen Sensoren immer möglichst nah an der Ideallinie verlaufen.

Dies hat eine Reduzierung des Fehlers im Ausgabe-Signal auch außerhalb des „Wertangleichungsbereiches" zur Folge.

Die erfindungsgemäßen Verfahren sind durch Einbeziehung der Beobachtungsbereiche in der Lage, sich sowohl bezüglich der sensortypischen als auch der individuellen Sensoreigenschaften automatisch anzupassen und damit Fehler im Ausgabe-Signal zu reduzieren, sowie Hinweise auf Störungen zu geben.

Legende: 4b

L001: Speicherung der aktuellen Werte, f₀ = f, g₀ = g
L002: f < f₀ – ε_s, ε_s z.B. 10 Digits
L003: g > g₀ + ε_s, ε_s z.B. 10 Digits
L004: Δ₀ = |log_b(f₀) – log_b(g₀)|, Δ₁ = |log_b(f) – log_b(g)|, N_min = Δ₁/(ΔA – max(Δf, Δg))
L005: Δ₀ – Δ₁ > ε_p, ε_p z.B. 2 Digits
L006: f – f_min < N_min·max(Δf, Δg)
L007: g_max – g < N_min·max(Δf, Δg)
L008: Speicherung der Werte, f₀ = f, g₀ = g, ΔWA = N_min·max(Δf, Δg)
L009: Speicherung der Werte, f₀ = f, g₀ = g, ΔWA = f – f_min
L010: Speicherung der Werte, f₀ = f, g₀ = g, ΔWA = g_max – g

Claims

Verfahren zur Druckmessung insbesondere für Kombinations-Druck-Sensoren im Vakuum-Bereich mit zwei oder mehreren Sensoren, die jeweils ein zeitdiskretes, normiertes, optional linearisiertes und/oder um Umgebungstemperatureinflüsse bereinigtes Sensor-Signal liefern, wobei die jeweils im Druckbereich benachbarten Sensoren einen gemeinsamen Überlappungsbereich aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstetigung des Ausgabe-Signals eine Wertangleichung durchgeführt wird und dass der Bereich für die Wertangleichung abhängig vom Verlauf eines oder mehrerer Sensor-Signale automatisch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung des Bereiches für die Wertangleichung so klein wie möglich gewählt wird, um eine Reduzierung des Messfehlers im Ausgabe-Signal zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es in beiden Richtungen einer Druckänderung anwendbar ist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, mit folgenden Schritten, die im Wesentlichen als Flußdiagramm in den 4a, 4b und 4c dargestellt sind: 4.1 Zuerst wird eine „Fehler- und Plausibilitätsabfrage" durchgeführt: Überwachung beider Sensoren auf Bruch und Kurzschluss. Überwachung der Abweichung beider Sensoren zu deren letzten Kalibrierwerten und der Abweichung der Sensorsignale zueinander. 4.2 Im Unterprogramm „Wertangleichungsbereich finden" wird überprüft, ob die Vorraussetzungen für den Beginn der Wertangleichung gegeben sind und falls ja, wird der Wertangleichungsbereich dynamisch festgelegt lt. Flussdiagramm 4b. 4.3 Im Unterprogramm „Wertangleichung läuft" (4c) wird die Wertangleichung innerhalb des festgelegten Wertangleichungsbereichs (304) durchgeführt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass das Intervall ΔWA des Wertangleichungsbereiches (304) durch die nachfolgenden Formeln bestimmt wird: Δ1 = |logb(f) – logb(g)|, Nmin = Δ1/(ΔA – max(Δf, Δg)),Falls der Mindestabstand N_min·max(Δf, Δg) zum „unteren Grenzdruck" (3013) bzw. „oberen Grenzdruck" (3023) unterschritten wird: ΔWA = f – fmin bzw. ΔWA = gmax – gIn allen anderen Fällen: ΔWA = Nmin·max(Δf, Δg),
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wertangleichung entsprechend des in 4c dargestellten Flussdiagramms unter Verwendung nachstehender Formeln und Vorschriften erfolgt: – Das „Ausgabe-Signal" A folgt der Formel: A(f, g) = a(f)·f + (1 – a(f))·gwobei f dem „Sensor-Signal" (301) und g dem „Sensorsignal" (302) entspricht und wobei die Gewichtungsfunktion a(f) für den kompletten Durchlauf einer Wertangleichung folgendermaßen bestimmt ist: a(f) = 1 – (f₀ – f)/ΔWA, wenn die Wertangleichung von f nach g erfolgt und a(f) = (f – f₀)/ΔWA, wenn die Wertangleichung von g nach f erfolgt. – Die Wertangleichung findet statt, solange sich das „Sensor-Signal" f innerhalb des „Wertangleichungsbereichs" befindet.
Verfahren zur automatischen Findung eines Druckpunktes für die „Offset-Kalibrierung" bei Kombinations-Druck-Sensoren mit folgenden Merkmalen: – Der obere Druckbereich und der untere Druckbereich weisen einen „Überlappungsbereich" (303) auf, – Unterhalb des „Überlappungsbereichs" (303) schließt sich der „untere Beobachtungsbereich" (307) an, – Oberhalb des „Überlappungsbereichs" (303) schließt sich der „obere Beobachtungsbereich" (308) an, sowie folgenden Schritten: – Empfangen des „Sensor-Signals" (301) eines ersten Drucksensors, der für die Druckmessung in einem oberen Druckbereich geeignet ist, – Empfangen des „Sensor-Signals" (302) eines zweiten Drucksensors, der für die Druckmessung in einem unteren Druckbereich geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein neuer Kalibrierpunkt für die „Offset-Kalibrierung" gefunden ist, falls a) sich das „Sensor-Signal" (302) innerhalb des „unteren Beobachtungsbereichs" (307) befindet, wobei es kontinuierlich überwacht wird und – bei Unterschreiten eines Sensor-Signal-Wertes (302) der in einem definierten Abstand unterhalb des „unteren Grenzdrucks" (3013) liegt, ein Beobachtungszeitgeber (Zeit „tb") gestartet wird, – das „Sensor-Signal" (301) während der Beobachtungszeit „tb" nicht um mehr als einen vorher festgelegten Betrag schwankt, wobei der Beobachtungszeitgeber (tb) neu gestartet wird, falls die Schwankung über dem festgelegten Betrag liegt – die Abweichung des „Sensor-Signals" (301) vom letzten Kalibrierpunkt einen definierten maximal zulässigen Betrag übersteigt. b) sich das „Sensor-Signal" (301) innerhalb des „oberen Beobachtungsbereichs" (308) befindet, wobei es kontinuierlich überwacht wird und – bei Überschreiten eines Sensor-Signal-Wertes (301) der in einem definierten Abstand oberhalb des „oberen Grenzdrucks" (3023) liegt, ein Beobachtungszeitgeber (Zeit „tb") gestartet wird, – das „Sensor-Signal" (302) während der Beobachtungszeit „tb" nicht um mehr als einen vorher festgelegten Betrag schwankt, wobei der Beobachtungszeitgeber (tb) neu gestartet wird, falls die Schwankung über dem festgelegten Betrag liegt – die Abweichung des „Sensor-Signals" (302) vom letzten Kalibrierpunkt einen definierten maximal zulässigen Betrag übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn die „Sensor-Signale" (301) und (302) außerhalb eines vordefinierten Toleranzbandes liegen.
Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass einzelne, mehrere oder alle Sensor-Signale eines Kombinations-Sensors, die aktuell nicht in das Ausgabe-Signal einbezogen sind, beobachtet werden auch über den Überlappungsbereich mit anderen Sensoren hinaus.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das „Sensor-Signal" des ersten Sensors von einem piezoresistiven Sensor und das „Sensor-Signal" des zweiten Sensors von einem Pirani-Sensor stammt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das „Sensor-Signal" des ersten Sensors von einem Kapazitiven Membran-Sensor und das „Sensor-Signal" des zweiten Sensors von einem Pirani-Sensor stammt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das „Sensor-Signal" des ersten Sensors von einem Pirani-Sensor und das „Sensor-Signal" des zweiten Sensors von einem Sensor mit Elektronenquelle (z.B. Heiß-, Kalt-, Feldüberhöhungskathode, ...) stammt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das „Sensor-Signal" des ersten Sensors von einem Kapazitiven Membran-Sensor und das „Sensor-Signal" des zweiten Sensors von einem Sensor mit Elektronenquelle (z.B. Heiß-, Kalt-, Feldüberhöhungskathode, ...) stammt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das „Sensor-Signal" des ersten Sensors von einem Kapazitiven Membran-Sensor und das „Sensor-Signal" des zweiten Sensors von einem Kapazitiven Membran-Sensor stammt.