DE19531926A1 - Verfahren zur Korrektur eines Differenzdrucksignals - Google Patents
Verfahren zur Korrektur eines DifferenzdrucksignalsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Differenzdruck-Meßumformer der gattungsgemäßen Art sind allgemein bekannt und
beispielsweise in DE 35 12 529 beschrieben.
Durch vorgegebene Materialkonstanten weist das elektrische Signal S, das bei der
Umsetzung der nichtelektrischen Größe Differenzdruck dp=p1-p2 als Differenz aus
einem ersten Prozeßdruck p1 und einem zweiten Prozeßdruck p2 in eine elektrische
Größe erzeugt wird, neben der beabsichtigten Abhängigkeit S₁=f(dp) unerwünschte
Abhängigkeiten S₂=f(p) vom Absolutdruck p=(p1+p2)/2 und S₃=f(Θ) von der
Temperatur Θ innerhalb des Differenzdruck-Meßumformers auf, so daß das elektrische
Signal S=f(dp,p,Θ) eine Funktion des Differenzdruckes dp des Absolutdruckes p und
der Temperatur Θ ist. Die Abhängigkeit des elektrischen Signals S von dem
Absolutdruck p und der Temperatur Θ verfälscht den jeweils umgesetzten Meßwert.
Daher werden der Absolutdruck p und die Temperatur Θ als Störgrößen bezeichnet,
deren Kompensation im elektrischen Signal S allgemeines Anliegen der Erfindung ist.
Aus der EP 0 178 368 ist bekannt, ausgehend von einer Sensoranordnung mit einem
Differenzdrucksensor, einem Temperatursensor und einem Sensor für den statischen
Druck, ein korrigiertes Differenzdrucksignal durch lineare Polynomverknüpfung der drei
an den Sensoren für Differenzdruck, Temperatur und statischen Druck abgreifbaren
originären Meßsignalen zu berechnen. Dazu werden die Koeffizienten der
Polynomfunktion, die gewichtete Funktionen der Temperatur und des statischen
Druckes sind, in einem Festwertspeicher hinterlegt.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß ein Meßwert zur Korrektur verwendet wird, der
selbst in Abhängigkeit zu weiteren Prozeßparametern steht. So wird der statische
Druck, dessen temperaturabhängiger Meßwert selbst korrekturbedürftig ist, zur
Korrektur des von der Temperatur und vom statischen Druck abhängigen
Differenzdrucksignals verwendet, wodurch eine exakte Abbildung des tatsächlichen
Differenzdruckes auf seinen korrigierten Meßwert verhindert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bekannte Korrekturverfahren zur
Korrektur eines gemessenen, von der Temperatur und vom statischen Druck
abhängigen Differenzdrucksignals weiterzuentwickeln, um eine genauere Abbildung
des korrigierten Differenzdrucksignals auf den tatsächlichen Differenzdruck zu
ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5
beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines an eine kapazitive Sensoreinrichtung
angeschlossenen Differenzdruck-Meßumformers näher erläutert. Die dazu
erforderlichen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Strukturplan des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines an einer Sensoreinrichtung
angeschlossenen Meßumformers.
Die Erfindung geht aus von einer für sich bekannten Sensoreinrichtung 100, die
prinzipiell in Fig. 2 geschnitten dargestellt ist. Ein Differenzdrucksensor 101 mit einer
beweglichen Meßmembran 111 ist in einem Grundkörper 104 angeordnet und von
einem Fluid 107 als Druckmittler umspült. Der Grundkörper 104 ist zwischen zwei
Kappen 105, die jeweils einen Druckeinlaß 108 zur Zuführung der Prozeßdrücke p₁
und p₂ in eine Druckkammer 110 aufweisen, angeordnet. Die Druckkammern 110 sind
mit jeweils einer Trennmembran 106 gegen das Fluid 107 abgeschlossen. Der
Differenzdrucksensor 101 weist in seinem Innern sowie auf der Meßmembran 111
leitfähige Belege auf, deren Flächen sich im wesentlichen unter Bildung zweier
elektrischer Kondensatoren mit den Kapazitäten C₁ und C₂ parallel gegenüberstehen.
Die Kondensatoren sind elektrisch mit einem Meßumformer 109 verbunden, wobei die
schematisiert dargestellten Verbindungsleitungen mit druckfesten Durchführungen 103
durch eine Wandung des Grundkörpers 104 geführt sind.
Weiterhin ist ein Temperatursensor 102 vorgesehen, der die Temperatur des
Grundkörpers 104, der den größten thermischen Speicher der Sensoreinrichtung 100
darstellt, erfaßt und der elektrisch mit dem Meßumformer 109 verbunden ist.
Unter der Voraussetzung, daß als Absolutdruck
p = (p₁ + p₂)/2
und als Differenzdruck
dp = p₁ - p₂
gelten, sind einer derartigen Sensoreinrichtung 100 die Temperatur ϑ, ein Maß für den
Differenzdruck
f(dp)=f(C₁, C₂)
und ein Maß für den Absolutdruck
f (p) = f (C₁₁ C₂), wobei
C₁ =f(ε₁, dp, p, ϑ und
C₂ = f(ε₂, dp, p, ϑ) sind, entnehmbar.
C₁ =f(ε₁, dp, p, ϑ und
C₂ = f(ε₂, dp, p, ϑ) sind, entnehmbar.
Dabei sind die Dielektrizitätskonstanten ε₁ und ε₂ des Fluides 107 zwischen den die
Kapazitäten C₁ und C₂ bildenden Belägen selbst noch druck- und
temperaturabhängig.
Die Abhängigkeit der Kapazitäten C₁ und C₂ von Absolut- und Differenzdruck resultiert
aus wenn auch geringfügigen Verspannungen des Grundkörpers 104 bei welchselnder
Druckbeaufschlagung.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Störgrößen in meßbare
Einflußgrößen zu klassifizieren.
Dabei ist die Soll-Ausgangsfunktion A (E) bezogen auf die am Differenzdrucksensor
101 abnehmbare Abbildung des Differenzdruckes dp auf die Eingangsfunktion E (dp)
A(E)=K*E(dp)+G(E)+R(p,ϑ)*S(p,ϑ),
wobei
K ein konstanter Skalierungsfaktor ist,
G (E) nichtlineare Eigenschaften des Systems beschreibt,
R (p,ϑ) eine vom Absolutdruck p und der Temperatur ϑ abhängige Offsetfunktion,
S (p,ϑ) eine vom Absolutdruck p und der Temperatur ϑ abhängige Spannenfunktion ist und
E (dp) = f (G, p, ϑ) abhängig von Nichtlinearitäten G, deren Absolutdruck p und der Temperatur ϑ ist.
K ein konstanter Skalierungsfaktor ist,
G (E) nichtlineare Eigenschaften des Systems beschreibt,
R (p,ϑ) eine vom Absolutdruck p und der Temperatur ϑ abhängige Offsetfunktion,
S (p,ϑ) eine vom Absolutdruck p und der Temperatur ϑ abhängige Spannenfunktion ist und
E (dp) = f (G, p, ϑ) abhängig von Nichtlinearitäten G, deren Absolutdruck p und der Temperatur ϑ ist.
Zur Kompensation der absolutdruckabhängigen Abbildungsfunktionen R für den Offset
und S für die Spanne wird unter Berücksichtigung der den Absolutdruck p
beeinflussenden Störgrößen die Abbildungsfunktion f (p) auf die am Differenzdruck
sensor abgreifbare Summe der Kapazitäten
ΣC=C₁ +C₂zu
f(p)=f(ΣC, p₁, p₂, ϑ)+ΣC(ϑ)+T(E),
f(p)=f(ΣC, p₁, p₂, ϑ)+ΣC(ϑ)+T(E),
wobei
ΣC (ϑ) den Temperaturgang der Kapazitätssumme beschreibt,
T (E) eine von der Eingangsfunktion E abhängige Aussteuerungsfunktion.
ΣC (ϑ) den Temperaturgang der Kapazitätssumme beschreibt,
T (E) eine von der Eingangsfunktion E abhängige Aussteuerungsfunktion.
Die weitere Vorgehensweise wird anhand von Fig. 1 erläutert. Dabei bedeuten
viereckige Symbole Polynome, deren Koeffizienten eine funktionale Abhängigkeit einer
Ausgangsfunktion von mindestens einer Eingangsfunktion darstellen, sechseckige
Symbole Abbildungsfunktionen und runde Symbole Verknüpfungen von
Abbildungsfunktionen, unabhängig von ihren mathematischen Verknüpfungs
operationen. Dabei sind als Eingangsgrößen ein gemessenes Differenzdrucksignal 11,
ein gemessenes Absolutdrucksignal 12 und ein Temperatursignal 13 vorgesehen.
Im einzelnen steht das gemessene Differenzdrucksignal 11 für die Abbildungsfunktion
der Druckdifferenz dp auf die Eingangsfunktion E (dp), das gemessene
Absolutdrucksignal 12 für die Abbildungsfunktion f (p) auf die Summenkapazität und
das Temperatursignal 13 für die Temperatur ϑ.
Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Abhängigkeiten werden einmalig und
sensorindividuell unter vorgegebenen Prozeßbedingungen Sätze von
Polynomkoeffizienten ermittelt, die als Konstanten abgespeichert werden.
Im einzelnen werden die Koeffizienten dm für ein Temperaturgangpolynom 1 der Form
ermittelt, das die Abhängigkeit der Kapazitätssumme ΣC von der Temperatur f (ϑ)
beschreibt, wobei der Parameter md die Anzahl der Koeffizienten dv und damit den
Grad des Polynoms angibt.
Weiterhin werden Koeffizienten tv für ein Aussteuerungskorrekturpolynom 4 der Form
ermittelt, das den Einfluß der differenzdruckabhängigen Membranaussteuerung auf die
Kapazitätssumme wiedergibt, wobei der Parameter mt die Anzahl der Koeffizienten tv
und damit den Grad des Aussteuerungskorrekturpolynoms 4 angibt.
Zur Kompensation des absolutdruck- und temperaturabhängigen Offsets werden
Koeffizienten rv1 und rv2 für ein Offsetkorrekturpolynom 2 der Form
ermittelt, das die statische Kennlinienabweichung im Arbeitspunkt angibt, wobei der
Parameter mr die Anzahl der Koeffizienten rv und damit den Grad der
Polynomsummen und R₀ ein Basisoffset unter vorgegebenen Prozeßbedingungen
angibt.
Darüber hinaus werden Koeffizienten Sv1 und Sv2 für ein Spannenkorrekturpolynom 3
der Form
ermittelt, das die Abweichung der Relation der Eingangs- zur Ausgangsfunktion
angibt, wobei der Parameter mS die Anzahl der Koeffizienten jeder Polynomsumme
und damit den Grad des Polynoms angibt.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung werden Koeffizienten gv für ein
Linearisierungspolynom 5 der Form
ermittelt, das nichtlineare Kennlinienabweichungen des korrigierten Differenzdrucksignals
von der tatsächlichen Druckdifferenz dp = p₁ - p₂ angibt, wobei der Parameter und die
Anzahl der Koeffizienten des Linearisierungspolynoms 5 und damit dessen Grad
angibt.
Der Vorteil einer Mehrzahl von Korrekturpolynomen liegt einerseits in der
Übersichtlichkeit, die sich darin äußert, daß jedes Polynom höchstens von zwei
Variablen abhängt und andererseits darin, daß derartig kompakte Polynome bereits
bei geringem Grad hinreichend konvergieren, so daß bereits nach wenigen
Summationsschritten eine ausreichende Genauigkeit erreicht wird.
Zur Korrektur des gemessenen Differenzdrucksignals 11 wird das korrigierte
Differenzdrucksignal 19 rekursiv aus dem gemessenen Absolutdrucksignal 12, dem
Temperatursignal 13, dem gemessenen Differenzdrucksignal 11 und sich selbst durch
Verknüpfung mit dem Temperaturgangkorrekturpolynom 1, dem
Offsetkorrekturpolynom 2, dem Spannenkorrekturpolynom 3 und dem
Aussteuerungskorrekturpolynom 4 bestimmt.
Im einzelnen wird aus dem korrigierten Differenzdrucksignal 19 über das
Aussteuerungspolynom 4 ein aussteuerungsabhängiges Korrektursignal 14 berechnet,
das dem Term T(E) in der Abbildungsfunktion f(p) des Absolutdruckes p entspricht.
Weiterhin wird aus dem Temperatursignal 13 über das
Temperaturgangkorrekturpolynom 1 ein Temperaturgangsignal 15 berechnet, das dem
Term f(ΣC(ϑ)) in der Abbildungsfunktion f(p) des Absolutdruckes p entspricht.
Aus dem gemessenen Absolutdrucksignal 12 wird mit dem aussteuerungsabhängigen
Korrektursignal 14 und dem Temperaturgangsignal 15 ein korrigiertes
Absolutdrucksignal 16 berechnet, dessen Abbildungsfunktion f (p) nunmehr nur noch
von den Prozeßdrücken p₁ und p₂ abhängt
f(p) =f(0, p₁, p₂, 0).
Aus dem korrigierten Absolutdrucksignal 16 und dem Temperatursignal 13 werden
über das Offsetkorrekturpolynom 2 ein Offsetkorrektursignal 17 und über das
Spannenkorrekturpolynom 3 ein Spannenkorrektursignal 18 berechnet. Dabei
entspricht das Offsetkorrektursignal 17 dem Term R (p, ϑ) und das
Spannenkorrektursignal 18 dem Term S (p, ϑ) in der Abbildungsfunktion des
Differenzdruckes dp auf die Eingangsfunktion E (dp).
Aus dem gemessenen Differenzdrucksignal 11, dem Offsetkorrektursignal 17 und dem
Spannenkorrektursignal 18 wird rekursiv das korrigierte Differenzdrucksignal 19
bestimmt, das für die Abbildung des Differenzdruckes dp auf die Eingangsfunktion
E (dp) die Form
A(E)=K*E+G(E)hat.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem korrigierten Differenzdrucksignal
19 über das Linearisierungspolynom 5 ein Linearisierungskorrektursignal 20
berechnet, das dem Term G (E) in der Abbildungsfunktion des Differenzdruckes dp auf
die Eingangsfunktion E (dp) des kongierten Differenzdrucksignals 19 entspricht. Das
korrigierte Differenzdrucksignal 19 wird mit dem Linearisierungskorrekturpolynom 20
unter Erhalt eines linearisierten Differenzdrucksignals 21 verknüpft, wobei das
linealisierte Differenzdrucksignal 21 die Abbildung der tatsächlichen Druckdifferenz dp
als elektrisches Signal darstellt,
A(E)=K*E(dp)
wobei K einen wählbaren konstanten Skalierungsfaktor darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, daß
durch die implementierte Rekursivität trotz vergleichsweiser einfacher
Korrekturpolynome niederer Grade Restfehler durch die der Rekursivität eigenen
Rückkopplung vorzeicheninvertiert in den Korrekturprozeß eingekoppelt werden.
Wegen der erreichbaren niedrigen Polynomgrade eignet sich das Verfahren
insbesondere zur Abarbeitung auf sequentiellen Maschinen, da die
Abarbeitungszyklen proportional zu den Polynomgraden kurz sind.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist bei der Abarbeitung des Verfahrens auf
sequentiellen Maschinen vorgesehen, für einen Zyklus der Zeitphase tn das
aussteuerungsabhängige Korrektursignal 14 der vorhergehenden Zeitphase tn-1 mit
dem Temperaturgangsignal 15 der Zeitphase tn und den gemessenen
Absolutdrucksignalen 12 der Zeitphase tn unter Erhalt des korrigierten
Absolutdrucksignals 16 der Zeitphase tn zu verknüpfen.
Die Einbindung des aussteuerungsabhängigen Korrektursignals 14 aus der
vorhergehenden Zeitphase tn-1 in die Korrektur der aktuellen Zeitphase tn ist
besonders vorteilhaft, da die absolute Dimension und die relativen Änderungen dieses
Korrektursignals vergleichsweise klein gegenüber den anderen zu verknüpfenden
Parametern sind.
Bezugszeichenliste
1 Temperaturgangkorrekturpolynom
2 Offsetkorrekturpolynom
3 Spannenkorrekturpolynom
4 Aussteuerungskorrekturpolynom
5 Linearisierungspolynom
11 gemessenes Differenzdrucksignal
12 gemessenen Absolutdrucksignal
13 Temperatursignal
14 aussteuerungsabhängiges Korrektursignal
15 Temperaturgangsignal
16 korregiertes Absolutdrucksignal
17 Offsetkorrektursignal
18 Spannenkorrektursignal
19 korregiertes Differenzdrucksignal
20 Linearisierungskorrektursignal
21 linearisiertes Differenzdrucksignal
100 Sensoreinrichtung
101 Differenzdrucksensor
102 Temperatursensor
103 druckfeste Durchführung
104 Grundkörper
105 Kappe
106 Trennmembran
107 Fluid
108 Druckeinlaß
109 Meßumformer
110 Druckkammer
111 Meßmembran.
2 Offsetkorrekturpolynom
3 Spannenkorrekturpolynom
4 Aussteuerungskorrekturpolynom
5 Linearisierungspolynom
11 gemessenes Differenzdrucksignal
12 gemessenen Absolutdrucksignal
13 Temperatursignal
14 aussteuerungsabhängiges Korrektursignal
15 Temperaturgangsignal
16 korregiertes Absolutdrucksignal
17 Offsetkorrektursignal
18 Spannenkorrektursignal
19 korregiertes Differenzdrucksignal
20 Linearisierungskorrektursignal
21 linearisiertes Differenzdrucksignal
100 Sensoreinrichtung
101 Differenzdrucksensor
102 Temperatursensor
103 druckfeste Durchführung
104 Grundkörper
105 Kappe
106 Trennmembran
107 Fluid
108 Druckeinlaß
109 Meßumformer
110 Druckkammer
111 Meßmembran.
Claims (5)
1. Verfahren zur Korrektur eines Differenzdrucksignals, das von
Materialkonstanten, der Temperatur und dem statischen Druck abhängig ist und
aus einem ersten und einem zweiten kontinuierlich mit einem Differenzdruck-
Meßumformer gemessenen Drucksignal bestimmt wird, mit einem in dem
Differenzdruck-Meßumformer gemessenen Temperatursignal, bei dem Sätze
von Polynomkoeffizienten unter vorgegebenen Prozeßbedingungen
meßumformerindividuell einmalig ermittelt und als Konstanten abgespeichert
werden und bei dem aus dem ersten und dem zweiten Drucksignal ein
Absolutdrucksignal ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß für jede zu korrigierende Abhängigkeit zwischen den gemessenen Größen die Koeffizienten eines separaten Korrekturpolynoms (1, 2, 3, 4) bestimmt werden und
- - daß das Differenzdrucksignal (19) rekursiv aus dem gemessenen Differenzdrucksignal (11), dem gemessenen Absolutdrucksignal (12), dem Temperatursignal (13) und sich selbst durch Verknüpfung mit den Korrekturpolynomen (1, 2, 3, 4) entsprechend ihrer Abhängigkeit korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
- - daß aus einem korrigierten Differenzdrucksignal (19) über ein Aussteuerungskorrekturpolynom (4) ein aussteuerungsabhängiges Korrektursignal (14) berechnet wird,
- - daß aus dem Temperatursignal (13) über ein Temperaturgangkorrekturpolynom (1) ein Temperaturgangsignal (15) berechnet wird,
- - daß aus dem gemessenen, temperatur- und aussteuerungsabhängigen sowie offset- und spannenbehafteten Absolutdrucksignal (12) durch Verknüpfung mit dem aussteuerungsabhängigen Korrektursignal (14) und dem Temperaturgangsignal (15) ein korregiertes Absolutdrucksignal (16) berechnet wird,
- - daß aus dem korregierten Absolutdrucksignal (16) und dem Temperatursignal (13) über ein Offsetkorrekturpolynom (2) ein Offsetkorrektursignal (17) berechnet wird,
- - daß aus dem korregierten Absolutdrucksignal (16) und dem Temperatursignal (13) über ein Spannenkorrekturpolynom (3) ein Spannenkorrektursignal (18) berechnet wird und
- - daß rekursiv aus dem gemessenen Differenzdrucksignal (11) durch Verknüpfung mit dem Offsetkorrektursignal (17) und dem Spannenkorrektursignal (18) das korregierte Differenzdrucksignal (19) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
- - daß einmalig die Koeffizienten eines Linearisierungspolynoms (5) ermittelt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3
dadurch gekennzeichnet,
- - daß aus dem korregierten Differenzdrucksignal (19) über das Linearisierungspolynom (5) ein Linearisierungskorrektursignal (20) berechnet wird und
- - daß das korregierten Differenzdrucksignal (19) mit dem Linearisierungskorrektursignal (20) zum linearisierten Differenzdrucksignal (21) verknüpft wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1, 2 und 4
dadurch gekennzeichnet,
- - daß das gemessene Differenzdrucksignal (11), das gemessene Absolutdrucksignal (12) und das Temperatursignal (13) zeitdiskret abgetastet werden und
- - daß das korregierte Absolutdrucksignal (16) zum Zeitpunkt tn zyklisch aus den Abtastwerten des gemessenen Absolutdrucksignals (12) zum Zeitpunkt tn, dem Temperatursignal (13) zum Zeitpunkt tn und dem korregierten Differenzdrucksignal (19) zum Zeitpunkt tn-1 bestimmt wird.
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DE19531926C2 DE19531926C2 (de) | 1998-05-28 |
Family
ID=7770781
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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