DE3705900A1 - Verfahren zur selbstueberwachung von messwertaufnehmern - Google Patents
Verfahren zur selbstueberwachung von messwertaufnehmernInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Selbstüberwachung
von Meßwertaufnehmern gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Zur Steuerung und Überwachung physikalischer Meßgrößen werden
in der modernen Meß- und Automatisierungstechnik in zunehmendem
Maße Aufnehmer oder Sensoren eingesetzt, die eine
physikalische Meßgröße, wie z. B. den Druck oder die Temperatur
in ein elektrisches Signal umwandeln, das in nachfolgenden
elektronischen Prozeßschritten weiterverarbeitet werden kann.
Dabei entsteht ein zunehmender Bedarf an Aufnehmern und nachgeschalteten
Signalverarbeitungsystemen, die in der Lage sind
auftretende Fehlfunktionen des Aufnehmers selbst zu erkennen
und deren Auswirkung weitgehend zu reduzieren. Derartige Fehlfunktionen
können durch den Aufnehmer selbst, beispielsweise
durch eine Veränderung seiner Empfindlichkeit und seines Nullpunkts,
verursacht sein. Eine wichtige Fehlerquelle kann jedoch
auch in der Ankopplung des Aufnehmers an die physikalische
Meßgröße liegen. Eine Überwachung auf Fehlfunktionen der gesamten
Meßkette, die den Aufnehmer und die nachgeordneten
Signalverarbeitungssysteme beinhaltet, ist dabei um so vorteilhafter,
je näher sie am Eingang der gesamten Meßkette
eingreift.
Aus der DE-AS-24 37 438 ist beispielsweise ein Verfahren zur
Steigerung der Genauigkeit analoger Meßvorgänge bekannt, bei
dem am Eingang einer analogen Meßkette nacheinander mindestens
zwei genau bekannte Kalibrierwerte angelegt werden.
Diese werden über die Meßkette einem digitalen System zugeführt
und dort in digitaler Form gespeichert. Mit diesen Kalibrierwerten,
die vorzugsweise in Form der zu messenden physikalischen
Größe am Eingang des Meßwertaufnehmers der Meßkette
eingegeben werden, können die Übertragungseigenschaften der
gesamten analogen Meßkette charakterisiert werden. Damit ist
eine genaue Zuordnung definierter physikalischer Werte zu den
beim Meßvorgang gespeicherten digitalen Meßsignalen möglich. Am
Eingang der Meßkette sind dazu wenigstens zwei Kalibrierwerte
anzulegen, von denen der eine Kalibrierwert zweckmäßigerweise
dem unbelasteten Zustand und der andere dem Vollausschlag des
Meßwertaufnehmers entspricht. Zur Erfassung von Lineartitätsfehlern
ist zusätzlich die Speicherung mehrerer Kalibrierwerte
vorgesehen.
Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es jedoch erforderlich,
die Meßkette am Eingang des Meßwertaufnehmers physikalisch aufzutrennen,
d. h. die Kopplung der Meßgröße an den Eingang des
Meßwertaufnehmers muß unterbrochen werden und anstelle der zu
messenden physikalischen Größe muß am Eingang des Meßwertauf
nehmers eine physikalisch gleichwertige Kalibriergröße angelegt
werden.
Eine derartige physikalisch aufgetrennte Meßkette ist beispielsweise
aus "VDI-Bericht Nr. 566, Automatische Meßsysteme, VDI-
Verlag Düsseldorf, 1985" bekannt. Dort ist auf den Seiten 361
und 362 ein induktiver Relativwegaufnehmer offenbart, der durch
einen Kalibrierzusatz ergänzt ist. Der Magnetkern des induktiven
Aufnehmers ist in der Tastspitze axial verschiebar
gelagert. Während des normalen Meßvorgangs wird er durch einen
Permanentmagneten gegenüber der Tastspitze fixiert. Zum Kalibrieren
wird die Magnetspule erregt und der Magnetkern axial an
den Anschlag gezogen. Der bekannte Verschiebeweg liefert der
Meßkette ein Sprungsignal, das bei linearer Kennlinie des Aufnehmers
den Übertragungsfaktor in mV/mm angibt.
Die physikalische Auftrennung der Meßkette durch ein Entkoppeln
des Meßwertaufnehmers von der zu messenden physikalischen Größe
erfordert jedoch einen erhöhten konstruktiven Aufwand. Außerdem
besteht während der Zeitdauer des Kalibriervorgangs kein
Zugriff zur eigentlich zu messenden physikalischen Größe und
die Ankopplung des Meßwertaufnehmers an die physikalische Meßgröße
kann nicht überwacht werden.
In "Chohan, R. K.; Abdullah, F., Transducer Tempcon Conf.
Papers, Tavistock 1983, Seiten 1 bis 10" ist ein Verfahren zur
Selbstüberwachung eines Temperatursensors offenbart, bei dem
die Kopplung des Sensors an die zu messende physikalische Größe
auch während des Überwachungsvorgangs aufrechterhalten bleibt.
Durch kurrzeitige Erhöhung des Stromes durch den Temperatursensor
auf ein Vielfaches des Normalwertes wird der Temperatursensor
lokal aufgeheizt und das dynamische Verhalten des Meßsignals
vermittelt Informationen über den Sensor und seine
thermische Ankopplung an das zu messende Medium. Eine quantitative
Bestimmung der Empfindlichkeit des Sensors ist mit
diesem Verfahren jedoch nicht möglich, da aus dem zeitlichen
Verhalten des Meßsignals die Information über die Empfindlichkeit
des Sensors von der Information über den thermischen
Kontakt des Sensors an das ihn umgebende Medium nicht getrennt
werden kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Selbstüberwachung von Meßwertaufnehmern anzugeben, das bei
physikalisch nicht aufgetrennter Meßkette eine Selbstüberwachung
des Meßwertaufnehmers ermöglicht, die einer quantitativen
Kalibrierung weitestgehend nahekommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Durch eine Modulation der
physikalischen Meßgröße können die Eigenschaften der wahren
Kennlinie des Meßwertaufnehmers in der Umgebung des wahren
Wertes der physikalischen Meßgröße während des Betriebs des
Meßwertaufnehmers untersucht werden. So kann beispielsweise
durch einen einzigen zusätzlichen Modulationsschritt bzw. zwei
Modulationsschritte, wenn die Messung der unmodulierten Meßgröße
als erster Modulationsschritt gezählt wird, das Steigungsverhalten
der Kennlinie, d. h. die Empfindlichkeit des
Meßwertaufnehmers ermittelt werden. Diese Information reicht in
vielen Fällen bereits aus, eine Aussage über die Zuverlässigkeit
der Meßwerte treffen zu können. Bei Aufnehmern mit linearer
Kennlinie kann beispielsweise mittels eines einzigen
Modulationsschrittes bereits die Steigung der Kennlinie
quantitativ bestimmt werden.
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch
2 ist die funktionale mathematische Gestalt der Kennlinie
bis auf die Parameter bekannt und mit Hilfe dieses Verfahrens
können sowohl der wahre Wert der Meßgröße als auch die
Parameter der Kennlinie durch Modulation der Meßgröße ermittelt
werden. Damit läßt sich die Kennlinie des Aufnehmers im dynamischen
Betrieb ermitteln und eine physikalische Auftrennung
der Meßkette ist nicht erforderlich. Die Anzahl der notwenigen
Modulationsschritte wird durch die Anzahl der für die Beschreibung
der Kennlinie des Aufnehmers notwendigen Parameter festgelegt.
Voraussetzung für die Durchführbarkeit des Verfahrens ist
dabei, daß die Fehlerquellen die mathematische Grundstruktur
der Kennlinie unverändert lassen.
Besonders vorteilhaft ist dabei ein Verfahren, bei dem die
Modulation symmetrisch, beispielsweise in Form einer Schwingung
oder mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Schwingungen mit
unterschiedlichen Amplituden um den Betrag der Meßgröße herum
erfolgt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
verwiesen, in deren
Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Blockschaltbildes
veranschaulicht ist. In
Fig. 2 ist ein Beispiel zweier Kennlinien eines Meßwertaufnehmers
unter verschiedenen Betriebsbedingungen in
einem Diagramm aufgetragen und in
Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Meßwertaufnehmers
zur Druckmessung, der zur Verwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist, schematisch dargestellt.
Gemäß Fig. 1 ist einem Meßwertaufnehmer 2 zur Erfassung des
Wertes x₀ einer Meßgröße ein Aktor 4 zugeordnet, der der Meßgröße
an einem Überlagerungsort 6 eine Modulationsgröße h i
additiv überlagert. Der Überlagerungsort 6 befindet sich am
Eingang des Meßwertaufnehmers 2. Der Meßwertaufnehmer 2 setzt
die durch additive Überlagerung entstandene modulierte Meßgröße,
deren Wert x + h i beträgt, in das Meßsignal y i beispielsweise
in Form eines elektrisches Signals, beispielsweise einer Analogspannung,
um, die dann in einem Analog-Digital-Wandler 8 digitalisiert
und einer Auswerte- und Steuereinheit 10 zugeführt
wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 führt die erforderliche
mathematische Auswertung der Meßsignale durch und stellt Steuersignale
für den Aktor 4 bereit, die den zeitlichen Ablauf der
erforderlichen Modulationsschritte und der zugehörigen Modulationsamplituden
regeln. Die Auswerte- und Steuereinheit 10
ist noch mit einem analogen oder digitalen Ausgang 12 zur
Darstellung des Meßwertes x und mit weiteren Ausgängen 14 für
Statussignale versehen, die den Betriebszustand des Meßwertaufnehmers
2 charakterisieren.
In Fig. 2 ist das Meßsignal y am Ausgang eines Meßwertaufnehmers
gegen x aufgetragen, wobei x ein möglicher Wert der
physikalischen Größe ist. Die Meßgröße kann beispielsweise eine
mechanische Größe, beispielsweise ein Druck, oder eine optische
Größe, beispielsweise ein Lichtstrom, oder eine elektrische
Größe, beispielsweise ein Magnetfeld sein. In der Figur sind
zwei Kennlinien 30 und 32 dargestellt, von denen sich beispielsweise
die Kennlinie 30 bei der Kalibrierung des Meßwertaufnehmers
ergeben hat. Die Kennlinie 32 stellt die aktuelle
Kennlinie des Meßwertaufnehmers dar, die sich im Laufe des
Betriebs beispielsweise durch Nullpunktdrift und Empfindlichkeitsänderung
ergeben hat. Am Meßwertaufnehmer liegt beispielsweise
der wahre Wert x₀ der Meßgröße x an und führt zum
Meßsignal y₀ am Ausgang des Meßwertaufnehmers. Wird bei der
Ermittlung des Wertes x die Kennlinie 30 zugrundegelegt, so
entspricht das Meßsignal y₀ einem Meßwert x₀* x₀. Wird nun
das Verhalten des Meßwertaufnehmers in der Umgebung von x₀
untersucht, indem der Meßgröße additiv und zeitlich nacheinander
ein bekannter Betrag h₂ überlagert und das entsprechende
Meßsignal ermittelt wird, so ist im Beispiel der Figur zu
erkennen, daß die auf der Grundlage der Kennlinie 30 ermittelte
Differenz x₂* - x₀* mit der wahren Differenz x₀ + h₂ - x₀ = h₂
nicht übereinstimmt, da die Kennlinie 30 im Bereich um y₀
steiler verläuft als die Kennlinie 32. Diese Information reicht
bereits aus, eine Aussage darüber zu treffen, ob eine unzufässige
Fehlfunktion des Meßwertaufnehmers vorliegt. Im Falle
eines Meßwertaufnehmers mit linearer Kennlinie kann die
Empfindlichkeit unter Zuhilfenahme des Meßwertes der unmodulierten
Meßgröße mittels eines einzigen Modulationsschrittes
ermittelt werden. Stehen zusätzliche Informationen über die
Lage des Nullpunktes, beispielsweise aus vorherigen Meßpausen,
zur Verfügung, dann kann die wahre lineare Kennlinie
vollständig reproduziert werden. Eine vollständige Reproduktion
der wahren Kennlinie eines Meßwertaufnehmers nur durch Modulation
der Meßgröße ist jedoch nur möglich, wenn die Kennlinien
30 und 32 bestimmte Voraussetzungen erfüllen. Eine
Voraussetzung dafür ist, daß sich die Kennlinien 30 und 32
durch eine gemeinsame mathematische Funktion y = f (a j , x)
beschreiben lassen, wobei den verschiedenen Kennlinien jeweils
unterschiedliche Parametersätze a j zugeordnet sind. Jede
Modulation des wahren Wertes x₀ der Meßgröße um den Betrag h i
führt zu einer Gleichung der Gestalt
y j = f(a j , x₀ + h i)
so daß ein Gleichungssystem
g₀ (a j , x₀) = f(a j , x₀ + h₀) - y₀ = 0,
g₁ (a j , x₀) = f(a j , x₀ + h₁) - y₁ = 0,
.
.
.
g n-1 (a j , x₀) = f(a j , x₀ + h n-1 ) - y n-1 = 0,
g₁ (a j , x₀) = f(a j , x₀ + h₁) - y₁ = 0,
.
.
.
g n-1 (a j , x₀) = f(a j , x₀ + h n-1 ) - y n-1 = 0,
entsteht. Die unbekannten Größen dieses Gleichungssystems sind
die Parameter a j und der wahre Wert x₀ der Meßgröße. Um das
Gleichungssystem lösen zu können, muß die Anzahl n der Gleichungen
dieses Gleichungssystems um 1 größer sein als die
Anzahl der Parameter a j . Unter den Parametern a j sind dabei die
für die Beschreibung der Kennlinie erforderlichen ungekannten
Parameter zu verstehen. Ist beispielsweise bei Meßwertaufnehmern
mit linearer Kennlinie die Lage des Nullpunktes a₀ bekannt,
so enthält die Kennlinienfunktion f(a j , x₀) = a₀ + a₁ x
nur einen einzigen unbekannten Parameter a j , nämlich die Steigung
a₁ der Kennlinie. Zur Lösung des Gleichungssystems sind
somit entsprechend der Anzahl der Unbekannten wenigstens n
Meßschritte mit n unterschiedlichen Modulationsbeträgen
h₀, h₁, . . .h n-1 erforderlich. Bei der Durchführung des Verfahrens
ist es vorteilhaft h₀ = 0 zu wählen und die Modulation
der Meßgröße in Gestalt einer symmetrischen Schwingung um
x₀ durchzuführen. Einer gegebenen Schwingungsamplitude entsprechen
dann zwei Beträge h i, ₁ und h i , ₂, die sich lediglich im
Vorzeichen unterscheiden |h i, ₁| = |h i ,₂|.
Das Gleichungssystem g i (a j , x₀ + h i) hat dann eine eindeutige
Lösung, wenn für die zugehörige Funktionaldeterminate folgende
Beziehung
erfüllt ist. Die Bedingung bewirkt, daß nicht jede beliebige
Kennlinienfunktion y = f(a j , x) zu einem lösbaren Gleichungssystem
g i (a j , x₀) führt. Beispielsweise erfüllt die lineare
Kennlinienfunktion y = a₀ + a₁x für die beiden ungekannten
Parameter a₀ und a₁ diese Bedingung nicht. Die zu dieser Kennlinienfunktion
gehörende Funktionaldeterminate verschwindet.
Somit können in diesem Fall die Parameter a₀ und a₁ sowie der
wahre Wert x₀ der Meßgröße nicht gemeinsam bestimmt werden.
Zwar läßt sich die Empfindlichkeit a₁ des Aufnehmers mit Hilfe
zweier Modulationsschritte berechnen, jedoch kann über die
Nullpunktdrift, die sich im Parameter a₀ widerspiegelt und
somit über wahren Wert x₀ der Meßgröße keine Aussage gemacht
werden. Ist der Parameter a₀ beispielsweise aus vorangegangenen
Meßpausen bekannt, so reduziert sich die Anzahl der
unbekannten Parameter um eins und das zugrundeliegende Gleichungssystem
führt zu einer nichtverschwindenden Funktionaldeterminante
Auch ein Meßwertaufnehmer mit einer Kennlinie gemäß
y = a₀ + a₁ + a₂x² ist zur Durchführung des Verfahrens nicht
geeignet, da die zu dieser Kennlinie gehörende Funktionaldeterminante
im allgemeinen Fall mit 3 unbekannten Parametern
ebenfalls verschwindet. Geeignete Aufnehmerkennlinien sind
jedoch beispielsweise die Funktionen
y = a₀ + a₂x²
y = a₀ + a₁x + a₂√
y = a₀ + a₂/x.
y = a₀ + a₁x + a₂√
y = a₀ + a₂/x.
Zur Durchführung des Verfahrens sind somit nur Meßwertaufnehmer
geeignet, deren Kennlinie durch eine Funktion y = f(a j , x)
dargestellt werden kann, die zu einem Gleichungssystem
g i (a j , x₀) mit den Unbekannten a j , x₀ führt, dessen Funktionaldeterminante
nicht verschwindet. Die Anforderungen an die
Kennlinie des Meßwertaufnehmers sind dabei so zu verstehen, daß
diejenigen Anteile seiner Kennlinienfunktion, die im strengen
mathematischen Sinn zur Unlösbarkeit des Gleichungssystems g i
führen würden, entweder bekannt oder gegenüber den anderen
Anteilen vernachlässigbar sind. Im Falle eines Meßwertaufnehmers,
dessen Kennlinie mit einer quadratischen Funktion
y = a₀ + a₁x + a₂x² dargestellt werden kann, bedeutet dies,
daß entweder der lineare Anteil a₁x gegenüber dem reinen
quadratischen Anteil a₀ + a₂x² in der Praxis vernachlässigbar
ist oder als bekannt mit unveränderlichem Parameter a₁ vorausgesetzt
werden kann. Eine weitere Voraussetzung des Verfahrens
ist auch, daß die funktionale Gestalt der Kennlinie des
Meßwertaufnehmers während des Betriebes des Meßwertaufnehmers
nicht ändert, so daß sich beispielsweise Nullpunktdrift und
Empfindlichkeitsänderung des Meßwertaufnehmers nur in einer
Änderung des Parametersatzes a j äußert. Diese für den Meßwertaufnehmer
typische funktionale Gestalt ist zusammen mit
einem geeigneten Algorithmus zur Lösung des zugehörigen
Gleichungssystems in der Auswerte- und Steuereinheit 16 (Fig.
1), die beispielsweise einen Mikroprozessor enthalten kann,
gespeichert.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 handelt es sich um einen
piezoelektrischen Differenzdruck-Aufnehmer mit einer Membran
40, die in einem Gehäuse 42 des Druckaufnehmers angeordnet ist
und die einen hohlen Innenraum 44 des Gehäuses in eine Druckkammer
46 und eine Referenzkammer 48 unterteilt. Druckkammer 46
und Referenzkammer 48 sind gegeneinander dicht verschlossen.
Die Druckkammer 46 und die Referenzkammer 48 sind jeweils mit
einem Druckkanal 47 bzw. 49 versehen, der mit dem Meßmedium
beispielsweise indirekt über eine Vorlegemembran verbunden ist.
Die Druckkammer 46 und die Referenzkammer 48 sowie die zugehörigen
Druckkanäle 47 bzw. 49 sind bis zur Vorlegemembran
mit einem wenigstens annähernd fluiden inkompressiblen Medium
62 beispielsweise mit Silikonöl, gefüllt. Die Membran 40 besteht
vorzugsweise aus Silizium und ist beispielsweise mit
einer piezoelektrischen Widerstandsbrücke versehen, die über
die elektrischen Anschlüsse 52 mit Spannung bzw. Strom versorgt
wird. In der Referenzkammer 48 befindet sich außerdem ein
Piezoelement 54, das mit elektrischen Anschlüssen 56 versehen
ist. Die elektrischen Anschlüsse 52 und 56 sind aus der Druckkammer
46 bzw. aus der Referenzkammer 48 gasdicht mittels elektrischer
Durchführungen 58 bzw. 60 herausgeführt. Das Piezoelement
54 besteht beispielsweise aus einer Piezokeramik. Ein
derartiges Piezoelement 54 mit einer Fläche von beispielsweise
etwa 10 mm² und einer Dicke von etwa 1 mm liefert bei einer
Anregespannung von beispielsweise etwa 100 V bei hydrostatischer
Belastung eine Blockierkraft von etwa 30 N. Die entsprechende
Druckerhöhung in der Referenzkammer beträgt dann
etwa 3 × 10⁶ Pa. Diese hydrostatische Druckerhöhung in der
Referenzkammer 48 wird sich dann einstellen, wenn man für
schnelle Modulationsvorgänge den Druckausgleich über die an den
Druckkanal 49 anschließende Vorlegemembran vernachlässigen
kann. Der Meßbereich des Differenzdruckaufnehmers ist dabei so
auszulegen, daß er im nichtlinearen Bereich seiner Kennlinie
betrieben wird.
Claims (4)
1. Verfahren zur Selbstüberwachung von Meßwertaufnehmern zum
Messen des wahren Wertes X₀ einer physikalischen Meßgröße, bei
dem das zu wenigstens einem vorgegebenen Kalibrierwert zugehörige
Meßsignal y i ermittelt und gespeichert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierwert
durch eine Modulation der physikalischen Meßgröße
am Eingang des Meßwertaufnehmers mit wenigsten einem vorgegebenen
Betrag h i gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch folgende Merkmale:
- a) der Meßwertaufnehmer wird in einem Meßbereich betrieben, in
dem seine Kennlinie wenigstens annähernd durch eine
Funktion y = f (a j , x) dargestellt werden kann, wobei mit x
ein möglicher Wert der Meßgröße und mit a j die unbekannten
Parameter der Funktion bezeichnet werden, die
- a1) zusammen mit den Meßsignalen y i und den zugehörigen vorbestimmten Beträgen h i ein Gleichungssystem g i (a j , x₀) = f( j , x₀ + h i ) - y i = 0,ergibt,
- a2) dessen Anzahl n der Gleichungen um 1 größer ist als die Anzahl der ungekannten Parameter a j und
- a3) desen Funktionaldeterminate ist,
- b) der wahre Wert x₀ der Meßgröße wird durch Auflösen des Gleichungssystems g i (a j , x₀) = 0 ermittelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch eine symmetrische Modulation der
Meßgröße.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Gleichung g₀ (a j , x₀) des
Gleichungssystems g i (a j , x₀) aus der Messung der unmodulierten
Meßgröße abgeleitet wird.
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