DE4446775A1 - Compensating thermal offset drift of sensors or measuring chains of sensors and amplifiers e.g. for domestic washing machine - Google Patents

Compensating thermal offset drift of sensors or measuring chains of sensors and amplifiers e.g. for domestic washing machine

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Abstract

The output variables are determined in operating conditions, which have known input variables, esp. the input value zero, during the course of a first programme. A respective offset variable is computed from output and input variables. The temp. is determined during the determination of the respective output variable during the course of the first programme. The offset variables and the associated temp. are stored in a non-transient data storage (5). A temp. dependent offset drift is computed. Determined output variables are corrected in further programme courses, depending on the computed offset drift.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren zur Erfassung von von Zustandsgrößen abhängigen Meßgrößen in Geräten, insbesondere in Haushaltgeräten, mit einer elektronischen Programm­ steuerung, welche einen Steuerrechner zur Auswertung der mit den Sensoren erfaßten Meßgrößen und mindestens einem Datenspeicher zur Abspeicherung von erfaßten Meßgrößen besitzt.The invention relates to a method for compensating for thermal offset drift of sensors for the acquisition of measured variables dependent on state variables in Devices, especially in household appliances, with an electronic program control, which is a control computer for evaluating the with the sensors recorded measured variables and at least one data memory for storing possesses measured variables.

Eine wesentliche Kenngröße von Sensoren ist der sogenannte Offset, d. h. die Ausgangsgröße bei zu Null gesetzter physikalischer Eingangsgröße. Dieser Offset überlagert sich dem Signal additiv; er ist von der Eingangsgröße unabhängig und wird als konstanter Fehleranteil wirksam.An essential parameter of sensors is the so-called offset, i.e. H. the Output variable when the physical input variable is set to zero. This offset is superimposed on the signal; it is independent of the input variable and becomes effective as a constant error component.

Dieser Fehler läßt sich leicht korrigieren, wenn er von der Zeit und der Temperatur unabhängig ist. Dazu wird der Sensor oder eine komplette Schaltung zur Meß­ werterfassung einmal im Fertigungsprozeß durch Hard- oder Software abgeglichen.This error can be easily corrected if it depends on the time and the temperature is independent. For this purpose, the sensor or a complete circuit for measuring value acquisition once in the manufacturing process by hardware or software adjusted.

Leider driften nun die Offsetfehler, insbesondere bei Low-Cost-Sensoren, mit der Zeit und insbesondere mit der Temperatur. Der dadurch bedingte Meßfehler ist i.d.R. nur mit großem Aufwand korrigierbar, da Größe und Vorzeichen der Drift selbst innerhalb einer Fertigungs-Charge stark streuen. Auch der Langzeitverlauf des Sensor-Offsets ist nur innerhalb bestimmter Fehlergrenzen definiert.Unfortunately, the offset errors are now drifting, especially with low-cost sensors Time and especially with temperature. The resulting measurement error is usually can only be corrected with great effort because the size and sign of the drift Scatter heavily even within a manufacturing batch. Even the long-term course of the sensor offset is only defined within certain error limits.

Vorhandene Lösungen und ihre Nachteile:Existing solutions and their disadvantages:

  • (i) Kompensation der Offset-Driften durch eine "Zero"-Taste, mit der die Meßeinrichtung bei fehlender Eingangsgröße manuell auf Null gesetzt wird.(i) Compensation of the offset drifts by means of a "zero" key with which the Measuring device is manually set to zero if there is no input variable.
  • Nachteile:
    • - Die Lösung erfordert einen Eingriff des Benutzers.
    • - Eine verläßliche Messung ist nur für kurze Zeit gesichert, da der Offsetanteil des Signals zeitlich oder thermisch bedingt weiterhin driften kann.
    Disadvantage:
    • - The solution requires user intervention.
    • - A reliable measurement is only ensured for a short time, since the offset component of the signal can continue to drift due to time or thermal reasons.
  • (ii) Das Verfahren nach (i) wird dahingehend automatisiert, daß ein Rechner die "Nullung" vornimmt. Dazu ist es nötig, daß der Rechner Prozeßzustände herbeiführt oder erkennt, in denen die Eingangsgröße des Sensors zu Null wird.(ii) The method according to (i) is automated in such a way that a computer makes the "zeroing". For this it is necessary that the computer process states induces or detects in which the input variable of the sensor is zero becomes.
  • Nachteile:
    • - Auch in diesem Fall gilt die Offsetkalibrierung nur für kurze Zeit. Eine ständige Wiederholung in kurzen Zeitabständen ist erforderlich.
    Disadvantage:
    • - In this case too, the offset calibration is only valid for a short time. A constant repetition at short intervals is required.
  • (iii) Hardwaremäßig wird durch zusätzliche temperaturabhängige Bauelemente in der Beschaltung des Sensors die Drift kompensiert. Diese Bauelemente sind durch das Fahren von Temperaturschleifen individuell auf den einzelnen Sensor abzustimmen, da Größe und Vorzeichen der Verschiebung selbst bei Sensoren gleicher Bauart nicht hinreichend genau definiert sind.(iii) Hardware is through additional temperature-dependent components compensates for the drift in the wiring of the sensor. These components are tailored to the individual by driving temperature loops tune individual sensor because the size and sign of the shift are not sufficiently precisely defined, even with sensors of the same type.
  • Nachteile:
    • - Langzeitdriften werden nicht erfaßt.
    • - Zusätzliche Bauteile verursachen Kosten.
    • - Die individuelle Abstimmung auf den Sensor ist zeitaufwendig und eignet sich nicht für große Stückzahlen.
    • - Es wird i.d.R. nur der Temperaturgang des Sensor-Offsets korrigiert. Die evtl. nachfolgende Schaltung hat aber ebenfalls eine thermische Offsetdrift, die auf diese Weise nicht erfaßt wird.
    Disadvantage:
    • - Long-term drifts are not recorded.
    • - Additional components cause costs.
    • - The individual adjustment to the sensor is time-consuming and is not suitable for large quantities.
    • - As a rule, only the temperature response of the sensor offset is corrected. The possibly subsequent circuit also has a thermal offset drift, which is not detected in this way.
  • (iv) Jeder Sensor wird ausgemessen, und die individuellen Offset-Kennwerte werden in einem Mikroprozessorsystem mit nicht flüchtigem Speicher abgelegt. Bei gleichzeitiger Erfassung der Temperatur kann nun dieses System den der jeweiligen Temperatur entsprechenden Offsetanteil des Signals berechnen und von ihm subtrahieren.(iv) Each sensor is measured, and the individual offset parameters are in a microprocessor system with non-volatile memory filed. With simultaneous detection of the temperature, this can now System the offset portion of the corresponding to the respective temperature Calculate signals and subtract from them.
  • Nachteile:
    • - Wie unter (iii), nur die zusätzlichen Bauteile werden nicht benötigt.
    Disadvantage:
    • - As under (iii), only the additional components are not required.

Der Erfindung stellt sich somit das Problem, eine gegenüber den vorbeschriebenen Verfahren möglichst einfache, kostengünstige und genaue Kompensation der ther­ mischen Offsetdrift von Sensoren zu schaffen. Erfindungsgemäß wird dieses Pro­ blem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus dem nachfolgenden Unter­ anspruch. The invention thus presents the problem of one compared to the ones described above Process as simple, inexpensive and accurate compensation of ther mix to create offset drift of sensors. According to the invention, this pro blem solved with the features specified in claim 1. Appropriate Further developments and refinements result from the following sub claim.  

Das erfindungsgemäß durchgeführte Verfahren zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:The method carried out according to the invention is characterized by the following Benefits from:

  • - Es ist keinerlei Anordnung zur individuellen Vermessung von Sensoren oder ganzer Meßketten erforderlich, vielmehr werden die Offset-Eigenschaften im laufenden Betrieb erfaßt.- There is no arrangement for individual measurement of sensors or whole electrodes are required, rather the offset properties recorded during operation.
  • - Es wird das Offsetverhalten der gesamten Meßkette und nicht nur des Sen­ sors korrigiert. Damit lassen sich auch mit preiswerten Komponenten im Meßverstärker (z. B. Operationsverstärker) Präzisionsmessungen erreichen.- The offset behavior of the entire electrode and not just the Sen corrected sors. It can also be used with inexpensive components in the Measuring amplifiers (e.g. operational amplifiers) achieve precision measurements.
  • - Es handelt sich um ein selbstlernendes Verfahren, weil der Rechner zu­ nächst über keinerlei Kenntnis des Offsetverhaltens der Meßkette verfügen muß. Je mehr Meßwerte er genommen hat, desto besser kann er die Offset-Fehleranteile des Ausgangssignals korrigieren.- It is a self-learning procedure because the calculator too next have no knowledge of the offset behavior of the electrode got to. The more measurements he has taken, the better he can Correct the offset error components of the output signal.
  • - Das Verfahren ist adaptiv, weil es sich individuell der Meßkette anpaßt. Auf diese Weise werden auch Langzeit-Offsetdriften des System erkannt und laufend nachgeführt.- The process is adaptive because it adapts individually to the measuring chain. Long-term offset drifts of the system are also recognized in this way and continuously updated.
  • - Durch das beschriebene Verfahren können mit Low-Cost-Sensoren Präzi­ sionsmessungen gemacht werden, da das reale Verhalten der Bauelemente im Betrieb erfaßt wird und darauf aufbauend das fehlerbehaftete Ausgangs­ signal korrigiert werden kann.- With the method described, low-cost sensors can be used for precision tion measurements are made because of the real behavior of the components is detected in operation and based on this the faulty output signal can be corrected.
  • - Das Verfahren eignet sich insbesondere für große Serien, da die Kompensa­ tionsparameter online bestimmt werden und somit keine Kosten bei der Fertigung der Meßeinrichtung entstehen.- The method is particularly suitable for large series, since the Kompensa tion parameters can be determined online and therefore no costs for the Manufacture of the measuring device arise.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung rein schema­ tisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Figur zeigt ein Blockschaltbild der Bauelemente zur Durchführung des Verfahrens zur Kompensa­ tion der thermischen Offsetdrift bei einem analogen Drucksensor (1) zur Erfassung des Laugenniveaus einer Waschmaschine. Das Signal des analogen Drucksen­ sors (1) wird durch eine Verstärkerschaltung (2) aufbereitet und in einem Analog- Digital-Umsetzer (3) in ein digitales Signal übertragen. Anschließend erfolgt die erfindungsgemäße, im folgenden beschriebene Auswertung des Signals durch den Steuerrechner (4) der Waschmaschine unter Verwendung eines nichtflüchtigen Datenspeichers (5). An die aus Drucksensor (1) und Verstärkerschaltung (2) bestehende Meßkette ist ein Temperatursensor (6) angekoppelt, dessen Signale ebenfalls durch den Analog-Didital-Umsetzer (3) aufbereitet und vom Steuerrechner (4) ausgewertet werden. An embodiment of the invention is shown purely schematically using a drawing and is described in more detail below. The figure shows a block diagram of the components for performing the method for compensating the thermal offset drift in an analog pressure sensor ( 1 ) for detecting the alkali level of a washing machine. The signal of the analog pressure sensor ( 1 ) is processed by an amplifier circuit ( 2 ) and transmitted in an analog-to-digital converter ( 3 ) into a digital signal. The signal according to the invention, described below, is then carried out by the control computer ( 4 ) of the washing machine using a non-volatile data memory ( 5 ). A temperature sensor ( 6 ) is coupled to the measuring chain consisting of pressure sensor ( 1 ) and amplifier circuit ( 2 ), the signals of which are also processed by the analog-didital converter ( 3 ) and evaluated by the control computer ( 4 ).

Der Steuerrechner (4) liest über analoge Eingänge die durch den Drucksensor (1) und die nachfolgende Verstärkerschaltung (2) umgesetzte Prozeßgröße, in diesem Fall ein druckabhängiges Spannungssignal Up und das der aktuellen Temperatur T der aus Drucksensor (1) und Verstärker (2) bestehenden Meßkette entsprechende Spannungssignal UT ein. Er hat die Möglichkeit, gemessene und errechnete Para­ meter in einem nicht-flüchtigen Datenspeicher (5) abzulegen.The control computer ( 4 ) reads the process variable implemented by the pressure sensor ( 1 ) and the subsequent amplifier circuit ( 2 ) via analog inputs, in this case a pressure-dependent voltage signal U p and that of the current temperature T from the pressure sensor ( 1 ) and amplifier ( 2 ) existing measuring chain corresponding voltage signal U T. He has the option of storing measured and calculated parameters in a non-volatile data memory ( 5 ).

Die Kompensation von thermischen und Langzeit-Offsetdriften geschieht nun in folgender Weise:
Der Steuerrechner (4) mißt das Offsetverhalten von Drucksensor (1) und Schaltung (Verstärker (2) bei verschiedenen Betriebs-Temperaturen und legt diese zusammen mit den gemessenen Temperaturen in einem nichtflüchtigen Daten­ speicher (5) ab. Dazu muß er wissen, wann er den reinen Offset-Anteil des druck­ abhängigen Spannungssignals Up messen kann, der von der Prozeßgröße unab­ hängig ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn er Zustände des Systems kennt oder herbeiführt, in denen die Prozeßgröße Up gleich Null ist. Mit Hilfe der ge­ speicherten Werte ist der Steuerrechner (4) nun in der Lage, die Beziehung von Offsetspannung und Temperatur der gesamten Meßeinrichtung zu bestimmen. Dazu kann er bei vorgegebener Modellstruktur, beispielsweise bei linearer Abhängigkeit des Offsets von der Temperatur, Parameter berechnen oder sogar die Modellstruktur so wählen, daß die gemessenen Wertepaare möglichst genau abgebildet werden.The compensation of thermal and long-term offset drifts now takes place in the following way:
The control computer ( 4 ) measures the offset behavior of the pressure sensor ( 1 ) and circuit (amplifier ( 2 ) at different operating temperatures and stores them together with the measured temperatures in a non-volatile data memory ( 5 ). To do this, it must know when it is can measure the pure offset component of the pressure-dependent voltage signal U p , which is independent of the process variable, which is always the case when it knows or brings about states of the system in which the process variable U p is zero of the stored values, the control computer ( 4 ) is now able to determine the relationship between the offset voltage and the temperature of the entire measuring device by calculating parameters, or even the model structure, for a given model structure, for example if the offset is linearly dependent on temperature choose so that the measured value pairs are mapped as accurately as possible.

Auf diese Weise kann der Steuerrechner (4) bei beliebiger Temperatur den Offset­ anteil des Ausgangssignals der Meßkette bei angelegter Prozeßgröße schätzen und vom eingelesenen Signal subtrahieren. Die gemessenen Werte werden aktuali­ siert, so daß auch langfristige Änderungen der Parameter nachgeführt werden. Eine solche Aktualisierung kann in jedem Programmdurchlauf, zyklisch oder bei Auftreten eines durch den Rechner festgestellten Fehlers erfolgen. Um beim ersten Programmablauf einen sicheren Betriebsablauf zu gewährleisten, ist es sinnvoll, eine Einstellung der Offsetdrift auf solche Werte vorzunehmen, die im Datenblatt des Sensors angegeben sind.In this way, the control computer ( 4 ) can estimate the offset portion of the output signal of the measuring chain when the process variable is applied and subtract it from the read-in signal at any temperature. The measured values are updated so that long-term changes to the parameters are also tracked. Such an update can take place in every program run, cyclically or when an error detected by the computer occurs. In order to ensure a safe operational sequence during the first program run, it makes sense to set the offset drift to values that are specified in the sensor data sheet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1), bzw. von Meßketten aus Sensoren (1) und Verstärkerschaltungen (2), zur Ermittlung und Weitergabe von von Eingangsgrößen abhängigen Ausgangsgrößen in Geräten, insbesondere von Zustandsgrößen in Haushaltgeräten mit einer elek­ tronischen Programmsteuerung, welche einen Steuerrechner (4) zur Auswertung der von den Sensoren (1) weitergegebenen Ausgangsgrößen und mindestens einem Datenspeicher (5) zur Abspeicherung der Ausgangsgrößen besitzt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Erfassung von Ausgangsgrößen in Betriebszuständen, welche bekannte Eingangsgrößen, insbesondere die Eingangsgröße Null besitzen, während eines ersten Programmablaufs,
  • - Berechnung einer jeweiligen Offsetgröße aus Ausgangsgröße und Eingangs­ größe,
  • - Erfassung der Temperatur während der Erfassung der jeweiligen Ausgangs­ größe während des ersten Programmablaufs,
  • - Abspeichern von Offsetgrößen und der dazugehörigen Temperatur in einem nichtflüchtigen Datenspeicher (5),
  • - Berechnen einer temperaturabhängigen Offsetdrift,
  • - Korrektur der in weiteren Programmabläufen erfaßten Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von der berechneten Offsetdrift.
1. A method for compensating for the thermal offset drift of sensors ( 1 ), or of electrodes from sensors ( 1 ) and amplifier circuits ( 2 ), for determining and transferring output variables dependent on input variables in devices, in particular of state variables in household appliances with an electronic Program control, which has a control computer ( 4 ) for evaluating the output variables passed on by the sensors ( 1 ) and at least one data memory ( 5 ) for storing the output variables, characterized by the following method steps:
  • Detection of output variables in operating states which have known input variables, in particular the input variable zero, during a first program run,
  • - Calculation of a respective offset size from the output size and input size,
  • - detection of the temperature during the detection of the respective output variable during the first program run,
  • - storing offset values and the associated temperature in a non-volatile data memory ( 5 ),
  • Calculating a temperature-dependent offset drift,
  • - Correction of the output variables recorded in further program runs depending on the calculated offset drift.
2. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche Neuerfassung von Ausgangsgrößen, Berechnung von Offsetgrößen, Erfassung der Temperatur, Abspeicherung und Neuberechnung der Offsetdrift in den weiteren Programmabläufen erfolgt.2. A method for compensating for the thermal offset drift of sensors ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a continuous new acquisition of output variables, calculation of offset variables, detection of the temperature, storage and recalculation of the offset drift takes place in the further program sequences. 3. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerfassung in unmittelbarer Nähe des Sensors (1), bzw. der Meßketten aus Sensor (1) und Verstärkerschaltung (2) erfolgt. 3. A method for compensating the thermal offset drift of sensors ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the temperature detection in the immediate vicinity of the sensor ( 1 ), or the electrodes from the sensor ( 1 ) and amplifier circuit ( 2 ) he follows. 4. Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1), dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Betrieb des Geräts eine Einstellung der Offsetdrift auf in einem Datenblatt des Sensors (1) angegebene Werte erfolgt.4. A method for compensating for the thermal offset drift of sensors ( 1 ), characterized in that before the first operation of the device the offset drift is set to values specified in a data sheet of the sensor ( 1 ).
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