DE602004008330T2

DE602004008330T2 - Sensordriftkompensation nach charge

Info

Publication number: DE602004008330T2
Application number: DE602004008330T
Authority: DE
Inventors: William C. Delavan SCHUH
Original assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Current assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: TWI256465B; TW200538708A; ATE370396T1; US6850859B1; EP1692478B1; WO2005057152A1; DE602004008330D1; EP1692478A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Sensoren und spezieller Systeme und Verfahren zum Kompensieren der Drift eines Thermoelements und anderer solcher Sensoren in einem Fertigungslos durch eine Prüfcharakterisierung eines Sensorprüflings aus dem Los.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele Sensoren geben ansprechend auf eine gegebene Umweltbedingung ein Signal aus. Z.B. weist ein Thermoelement einen Spannungsausgang aufgrund eines Temperaturunterschieds von einem Ende zum anderen Ende des Sensors auf. Thermoelemente sind analoge Temperatursensoren, die die thermoelektrischen Eigenschaften von zwei ungleichartigen Materialien, typischerweise Metallen, nutzen, um eine EMK im Verhältnis zu einem Temperaturgradienten über eine Materialinhomogenität zu erzeugen. Übliche Thermoelemente, die bei einer Temperaturmessung verwendet werden, umfassen zwei Metalldrähte von unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften, die Thermopaare genannt werden, die an einem Ende verbunden sind, um eine "Messlötstelle", die auch als eine "Messstelle" bekannt ist, zu bilden. Die anderen Enden der Drähte sind mit einer Messgeräteausrüstung, wie z.B. einem Voltmeter, verbunden, um die durch das Thermoelement erzeugte EMK zu messen. Die Drähte sind mit der Messgeräteausrüstung bei einer bekannten Bezugstemperatur verbunden, um eine "Vergleichsstelle" oder eine "Vergleichslötstelle" zu bilden.
Thermoelemente und andere solche Sensoren folgen einer Nennansprechkurve, so dass ermöglicht wird, dass der Benutzer die gemessenen Parameter auf Grundlage des Ausgangs des Sensors quantifiziert. Die meisten Sensoren weisen im Laufe der Zeit von einer Anfangsansprechkurve eine Verschiebung im Ausgang auf. Diese irreversible Änderung kann auf chemische oder metallurgische Änderungen in Materialien zurückzuführen sein, die verwendet werden, um den Messaufnehmer zu konstruieren. Diese Verschiebung im Ausgang des Sensors wird üblicherweise als Drift bezeichnet. Da es wünschenswert ist, eine möglichst genaue Messung vorzunehmen, würde es für den Benutzer des Sensors vorteilhaft sein, wenn die Drift beseitigt werden könnte. In vielen Fällen ist es nicht leicht, eine Drift zu beseitigen.
Eine Sensordrift kann durch viele unterschiedliche Mechanismen hervorgerufen sein, aber zwei Hauptquellen von Drift sind chemische oder metallurgische Änderungen. Z.B. ist ein üblicher Driftmechanismus in Thermoelementen vom Typ K, wo das Chrom vorzugsweise oxidiert, eine Erscheinung, die "Poliergrün" genannt wird. Indem etwas von dem Chrom in einem Oxid chemisch gebunden wird, wird die prozentuale Zusammensetzung von Chrom in der Legierung wesentlich verringert, wobei eine Verschiebung im thermoelektrischen Ausgang des Sensors hervorgerufen wird. Es ist gefunden worden, dass es schwierig ist, zu verhindern, dass Poliergrün auftritt.
Nicht alle Quellen von Drift sind auf chemische oder metallurgische Änderungen zurückzuführen. Z.B. kann ein Sensor mechanisch beschädigt werden, wobei eine Kurzschlussbedingung hervorgerufen wird, die zu einer falschen Anzeige führt, oder es kann ein Sensor mit Wasser getränkt werden, was zu einer elektrischen Nebenschlussschaltung und zu einer scheinbaren Drift führt. Solche Vorkommnisse können nicht korrigierbar sein und sind in einer Laborumgebung schwer vorherzusagen oder zu reproduzieren. Obwohl diese und andere Quellen von Drift nicht weniger wichtig beim Erzielen von genauen Messungen sind, ist es noch wünschenswert, hinsichtlich möglichst vieler Quellen von Drift eine Korrektur vorzunehmen. Zusätzlich kann das Niveau von Drift zwischen Fertigungslosen von Sensoren aufgrund von Variationen in den chemischen und/oder metallurgischen Eigenschaften der in den Sensoren verwendeten Materialien stark variieren. Es gibt auch Quellen von Drift, die vorübergehend und reversibel sind, wie z.B. die Temperatureffekte bei einem Drucksensor.
Folglich lässt sich Drift als mit zwei grundsätzlichen Ursprüngen verbunden denken: Drift, die durch reversible Effekte erzeugt wird, wie z.B. diejenigen aufgrund von Umgebungstemperatur, und Drift, die durch irreversible Änderungen aufgrund von grundlegenden Änderungen in den chemischen oder metallurgischen Eigenschaften des Messaufnehmers hervorgerufen wird.
Die US 5,857,777 offenbart ein Driftkompensationssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Demgemäß gibt es ein Erfordernis zur Kompensation hinsichtlich Quellen von Drift, die für Thermoelementsysteme und andere solche Sensorsysteme im Labor vorhergesagt und reproduziert werden kann, während Variationen im Sensorausgang aufgrund von Drift zwischen Materiallosen, die bei der Herstellung der Sensoren verwendet werden, abgeschwächt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Folgende bietet eine vereinfachte Zusammenfassung, um ein grundsätzliches Verstehen von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu liefern. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick der Erfindung und soll weder Schlüssel- oder kritische Elemente der Erfindung identifizieren, noch den Umfang derselben skizzieren. Vielmehr besteht der primäre Zweck der Zusammenfassung darin, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als ein Vorwort zu der detaillierteren Beschreibung darzubieten, die später zur Verfügung gestellt wird.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Sensorsystem zum Kompensieren hinsichtlich Quellen von Drift gerichtet, die im Labor vorhergesagt und reproduziert werden kann, wobei von einem charakterisierten Materiallos gefertigte Sensoren verwendet werden, wodurch Variationen im Ausgang des Systems zwischen Losen aufgrund von Drift minimiert werden. Ein Los von Materialien würde eine Zusammenstellung von Materialien sein, von denen erwartet werden könnte, dass sie wegen einiger gemeinsam genutzter Produktionsprozesse messbar ähnliche Materialcharakteristika oder -eigenschaften aufweisen. Die vorliegende Erfindung trägt weiter einer Anwendungsveränderlichkeit Rechnung, indem fakultativ eine Eingabeeinrichtung für die besonderen Zeit- und/oder Temperaturbedingungen einer Benutzeranwendung und die Korrekturen derselben aufgrund von Drift ermöglicht wird.
Der Ausgang von vielen Sensoren (z.B. Thermoelementen, RTDs, Drucksensoren, Feuchtesensoren, chemischen Sensoren, Durchflusssensoren) kann als eine Funktion von Temperatur und Zeit driften, insbesondere, wenn sie äußerst hohen oder tiefen Temperaturen ausgesetzt werden, was zu einer grundlegenden Änderung in den chemischen oder metallurgischen Eigenschaften der Materialien führt, die verwendet werden, um die Sensoren zu konstruieren. Der Erfinder des vorliegenden Sensorkompensationssystems hat erkannt, dass Sensoren desselben metallurgischen und chemischen Aufbaus auf Umweltbedingungen auf eine gleiche Weise reagieren.
Deshalb wird die Driftkompensation der vorliegenden Erfindung diesem Erfordernis bei Thermoelementsystemen und anderen solchen Sensorsystemen gerecht, indem ein Verfahren zum Charakterisieren eines oder mehrerer von einem spezifischen Los von Material gefertigten Prüflinge des Sensors in Bezug zu einem erwarteten Zeit- und Temperaturprofil bereit gestellt wird. Die Drift des Prüfsensors wird bestimmt und kann als eine Verschiebung des Sensorausgangs als eine Funktion von Zeit und Temperatur dargestellt werden. Parameter der Driftfunktion können dann von einem Driftkompensationsapparat verwendet werden, um den Ausgang eines anderen solchen Sensors von demselben Fertigungslos in Bezug zu Zeit und/oder Temperatur aufgrund von Drift zu kompensieren.
Der Temperaturmessausgang von herkömmlichen Thermoelementsystemen kann z.B. bis zu 30°C oder mehr nach langandauernder Einwirkung bei hohen Temperaturen driften. Diese Drift im Ausgang der Thermoelementsystemmessgeräteausrüstung mag kein akzeptabler Fehler sein, insbesondere, wenn diese Systemänderung normalerweise irreversibel ist. In einigen herkömmlichen Sensorsystemen kann dieses Problem teilweise durch häufige Rekalibrierung oder Ersetzung der verwendeten Sensoren abgeschwächt werden. Diese Prozedur ist kostspielig, zeitraubend und mag die Änderung in der Sensordrift zwischen Kalibrierungsperioden immer noch nicht berücksichtigen.
Das Driftkompensationssystem der vorliegenden Erfindung umfasst ein Driftcharakterisierungsprüfgerät zur Charakterisierung eines Sensorprüflings, der von einem speziellen Materiallos gefertigt ist, wobei das Prüfgerät Parameter (z.B. Koeffizienten einer angepassten Driftfunktion, mehrere Sätze von Koeffizienten, eine zweidimensionale Matrix von Zeit-Temperatur-Daten) bereitstellt, die der Drift des Prüflings zugeordnet sind. Das System umfasst weiter ein Sensorsystem mit einem zweiten Sensor, der aus demselben Materiallos gefertigt ist, und einen Speicher-Speicherbaustein (z.B. ein EEPROM, ein EPROM oder ein anderes solchens Speicherbauelement, eine Rechnerplatte oder ein anderes solches rechnerlesbares Medium, eine Speicher-Speicherstelle, einen Strichcode, ein RFID-Kennzeichen, eine virtuelle Speicher-Speicherstelle auf einem Netzwerk) zum Speichern der Parameter. Das System weist auch einen Driftkompensationsapparat (z.B. ein rechnergestütztes Temperatur-, Druck-, Durchfluss- oder chemisches Messinstrument) auf, der sich mit dem Sensorsystem koppeln lässt und funktionsfähig ist, um die im Speicher-Speicherbaustein gespeicherten Parameter zu verwenden, um die Drift des Ausgangs des zweiten Sensors in Bezug zu Zeit und/oder Temperatur zu kompensieren.
In einem Aspekt des Driftkompensationssystems ist der Sensortyp ein Temperatursensor, wie z.B. ein Thermoelement, ein RTD, ein Drucksensor, ein Feuchtesensor, ein chemischer Sensor und ein Durchflusssensor.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Speicher-Speicherbaustein ein EEPROM, ein EPROM oder ein anderes solches Speicherbauelement, eine Rechnerplatte oder ein anderes solches rechnerlesbares Medium, eine Speicher-Speicherstelle, ein Strichcode, ein RFID-Kennzeichen, eine virtuelle Speicher-Speicherstelle auf einem Netzwerk, um die Parameter zu speichern.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst der Driftkompensationsapparat einen Mikroprozessor, einen A/D-Wandler und einen Speicher.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Sensorsystem ein Speicher-Speicherbauelement umfassen, das dem Prüfling und dem zweiten Sensor zugeordnet ist.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Driftcharakterisierungsprüfgerät eine Wärmeprüfkammer zum Prüfen und Charakterisieren des Sensorprüflings als eine Funktion von Temperatur und Zeit umfassen.
In noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Driftcharakterisierungsprüfgerät einen Driftanalysator zur Bestimmung einer Driftfunktion des Sensor prüflings als eine Funktion von Temperatur und Zeit, zur Bestimmung eines oder mehrerer Sätze von der Drift zugeordneten Parametern und der funktionsfähig ist, um die Parameter in einem Speicher zu speichern, der dem Prüfgerät oder einem zweiten Sensor zugeordnet ist.
Um die vorhergehenden und verwandte Ziele zu erreichen, legen die folgende Beschreibung und die angefügten Zeichnungen in Einzelheit gewisse veranschaulichende Aspekte und Ausführungen der Erfindung dar. Diese zeigen lediglich einige der verschiedenen Wege auf, in denen die Prinzipien der Erfindung verwendet werden können. Andere Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung nach dem Stand der Technik, die ein herkömmliches thermoelektrisches Gerät veranschaulicht, wie es von einem Thermoelementehersteller geliefert wird, wie es z.B. in einem Temperaturüberwachungssystem verwendet werden kann;
2 ist ein begleitendes schematisches Symbol des Thermoelements nach dem Stand der Technik von 1 und der Polarität einer von dem Gerät gelieferten EMK;
3 ist eine schematische Darstellung, die ein beispielhaftes Driftkompensationssystem zum Kompensieren hinsichtlich thermischer Drift eines Sensors in einem Überwachungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ist ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Driftcharakterisierungsprüfgerät zum Prüfen und Charak terisieren eines Sensorprüflings als eine Funktion von Temperatur und Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ist eine schematische Darstellung, die ein beispielhaftes Thermoelementdriftcharakterisierungsprüfgerät zum Prüfen und Charakterisieren eines Sensorprüflings als eine Funktion von Temperatur und Zeit entsprechend 4 und der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, die ein beispielhaftes Temperaturmess- und Driftkompensationssystem zum Messen und Kompensieren des Ausgangs eines TC-Sensorsystems mit einem Thermoelement und einem zugeordneten Speicher-Speicherbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
die 7A-C sind schematische Darstellungen von mehreren beispielhaften Thermoelementsensorsystemen, die verschiedene Speicher-Speicherbausteine und Verfahren zum Speichern von der Drift eines Thermoelements zugeordneten Parametern veranschaulicht, um die Drift eines Temperaturüberwachungssystems zu kompensieren, gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kompensieren hinsichtlich der Drift in einem Sensormesssystem veranschaulicht, gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein Tabellenblatt einer beispielhaften zweidimensionalen Tabelle von Thermoelementmessdaten als eine Funktion von Zeit und Drift bei einer vorbestimmten Temperatur, wie es z.B. in einem TC-Driftkompensationssystem gespeichert und verwendet werden kann, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Tabellenblatt von beispielhaften einer Driftfunktion zugeordneten Parametern, wobei die Parameter angepasste Datenkoeffizienten von Thermoelementmessdaten als eine Funktion von Zeit und Drift bei einer vorbestimmten Temperatur umfassen, und wie sie z.B. in einem TC-Driftkompensationssystem gespeichert und verwendet werden können, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
11 ist eine Auftragung, die die Drift mit der Zeit von mehreren beispielhaften Thermoelementtypen und Materialien für Temperaturüberwachungssysteme veranschaulicht.
12 ist eine Auftragung, die die unterschiedlichen Driftgeschwindigkeiten mit der Zeit bei unterschiedlichen Temperaturen von mehreren beispielhaften Thermoelementtypen und -materialien für Temperaturüberwachungssysteme veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um überall gleiche Elemente zu bezeichnen. Die Erfindung betrifft ein Sensorkompensationssystem zur Kompensation der Drift im Ausgang eines Sensormesssystems. Die Erfindung charakterisiert die Drift eines Prüfsensors in einem Los von Material, das bei der Herstellung einer Mehrzahl von Sensoren verwendet wird, verwendet dann der Drift des Prüfsensors zugeordnete gespeicherte Parameter, um die Drift im Ausgang der anderen Sensoren desselben Materialloses zu kompensieren.
Da von einem Los von Material gefertigte Sensoren gleiche chemische und metallurgische Eigenschaften aufweisen, ist es vernünftig, anzunehmen, dass sich eine Probe von einem Los von Material unter Beanspruchung in derselben Weise wie andere Sensoren von diesem selben Los verhalten wird. In dem zuvor erwähnten Poliergrün-Beispiel könnte ein Batch von Sensoren, die aus Draht mit einer Zusammensetzung von 10% Chrom gefertigt sind, den durch bevorzugte Oxidation auf 9,7% reduzierten effektiven Chromgehalt aufweisen. Da sämtliche Sensoren von diesem Batch ungefähr dieselbe Reduktion im Chromgehalt erfahren würden, wenn sie derselben Umgebung ausgesetzt werden, ist es vernünftig, zu erwarten, dass die Drift einer beliebigen Probe für die erwartete Drift bei sämtlichen Sensoren bezeichnend sein würde.
Eine Driftkompensationseinrichtung kann folglich verwirklicht werden, indem Proben von Sensoren geprüft werden, die von einem Los von Material gefertigt sind, um die Drift der Probensensoren unter spezifizierten Bedingungen zu charakterisieren. Bei einem Temperatursensor können die spezifizierten Bedingungen Zeit bei einer Temperatur sein. Die Driftcharakterisierung würde dann die Änderung im Ausgang als eine Funktion von Zeit bei den spezifizierten Temperaturen sein. Die Driftcharakterisierung kann in einer beliebigen von mehreren Einrichtungen, wie z.B. einer zweidimensionalen Tabelle von Drift gegen Zeit, einer mathematischen Funktion von Drift als eine Funktion von Zeit, oder anderen Parametern, wie z.B. angepassten Datenkoeffizienten der mathematischen Driftfunktion, aufgezeichnet werden. Diese Charakterisierungsinformation kann dann sämtliche Sensoren begleiten, die von dem geprüften Materiallos oder Batch gefertigt sind, wobei ermöglicht wird, dass die Information dann in der Anwendung verwendet wird, um hinsichtlich einer Sensordrift unter Verwendung einer Loscharakterisierung zu kompensieren. Die Driftcharakterisierung könnte kumulativ sein, um unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten entsprechend unterschiedlichen Anwendungsbedingungen zu berücksichtigen.
Während es am leichtesten ist, eine Driftcharakteri sierungseinrichtung auszuführen, wenn die Charakterisierungsparameter dieselben wie der gemessene Parameter des Sensors sind, ist es auch möglich, alternative Parameter zu verwenden, um hinsichtlich einer Drift zu kompensieren. Z.B. kann ein Drucksensor eine Verschiebung im Ausgang aufweisen, wenn er hohen oder niedrigen Drücken ausgesetzt wird, und so kann dies einen Korrekturmechanismus bilden. Aber derselbe Sensor kann auch eine Drift erfahren, wenn er hohen oder niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird. In diesem Fall wird herkömmlicherweise ein separater Sensor benötigt, um jegliche Parameter zu messen, die durch den primären Sensor nicht schon gemessen sind. Für das Drucksensorbeispiel ist der primäre Sensor der Drucksensor, aber dies würde einen sekundären Temperatursensor erfordern, um hinsichtlich einer temperaturinduzierten Drift zu kompensieren. Diese Temperaturkompensation erfolgt nicht, um reversible Temperatureffekte aufgrund von Umgebungstemperatur zu korrigieren, sondern um vielmehr hinsichtlich irreversibler Änderungen aufgrund von grundlegenden Änderungen in den chemischen oder metallurgischen Eigenschaften des Messaufnehmers zu korrigieren.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen System ist die hierin beschriebene Erfindung ein Verfahren und ein System zum Korrigieren von irreversibler Drift in Sensormessaufnehmern aufgrund einer Temperatureinwirkung. Das System umfasst eine Mehrzahl von Sensoren, die von demselben Los von Material mit im Wesentlichen gleichen chemischen oder metallurgischen Eigenschaften gefertigt sind. Das System umfasst auch ein Driftcharakterisierungsprüfgerät, um einen Sensorprüfling einer vorbestimmten Wärmeumgebung (z.B. einer vorbestimmten Temperatur und Zeit) auszusetzen und eine Driftfunktion zu charakterisieren, die die Beziehung zwischen Zeit bei einer Temperatur und einer entsprechenden Drift beschreibt. Das System umfasst weiter einen Speicher-Speicherbaustein zum Speichern von Parametern der Driftfunktion in einem von den verschiedensten Formaten, einen Driftkompensationsapparat, der mit einem der Mehrzahl von Sensoren gekoppelt ist, und den Speicher-Speicherbaustein, um die gespeicherte Information wiederzugewinnen und zu nutzen, um die Drift im Sensorausgang zu korrigieren.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Sensor ein Thermoelementtemperatursensor, der aus zwei ungleichartigen Metallen besteht. Der Sensor ist von einem Grundmateriallos mit überall im Wesentlichen ähnlichen chemischen oder metallurgischen Eigenschaften gefertigt, wie z.B. einer Rolle von Draht von einer speziellen Schmelze und einem speziellen Prozess. Die vorbestimmte Wärmeeinwirkung kann eine Bestimmung der erwarteten Temperaturvorgeschichte durch Kenntnis der beabsichtigten Anwendung des Sensors auf Grundlage von bekannten Temperaturen und Umgebungen umfassen.
Die Charakterisierungsprüfung wird gemäß einem Aspekt der Erfindung bei derselben Anwendungstemperatur in einem Prüflabor durchgeführt, wobei ein bekannter guter Standardtemperatursensor (Bezugssensor) und ein Sensorprüfling von demselben Los von Material wie der zu charakterisierende Sensor verwendet werden. Der Ausgang des Prüfsensors wird gegen den Standard über eine Zeitspanne verglichen, um die Drift des Prüfsensors mit der Zeit aufzuzeichnen. Diese Prüfung führt dann zu einer Funktion von Drift gegen Zeit, die durch eine stückweise lineare Funktion mit Zeit als der unabhängigen Variablen und Drift als der abhängigen Variablen charakterisiert werden kann. Diese Daten können gespeichert werden (z.B. als eine zwei-mal-N-dimensionale Matrix von Daten), wie im Zusammenhang mit der Datentabelle von 9 erörtert wird. Alternativ kann, wie weiter im Zusammenhang mit den 10-11 erörtert wird, eine stückweise stetige Funktion der zweiten Ordnung verwendet werden, wobei die Daten in einer drei-mal-N-dimensionalen Matrix der Konstanten erster und zweiter Ordnung (was drei Koeffizienten erfordert) der Kurve über jedem von N Segmenten zusammen mit dem Endpunkt des Segments gespeichert werden können. Ungeachtet der Ordnung des verwendeten Polynoms kann eine zweidimensionale Matrix dieser thermischen Vorgeschichte in einem elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM)-Chip gespeichert werden, das mit dem Sensor eine Einheit bildet. In einer beispielhaften Anwendung ist der Temperatursensor mit einem elektronischen Apparat verbunden, der die gespeicherte Information von dem EEPROM wiedergewinnen und den wiedergewonnen Temperaturwert zusammen mit einer zugeordneten verstrichenen Zeit von der thermischen Vorgeschichte verwenden kann, um einen Driftwert zu berechnen. Dieser berechnete Driftwert wird dann verwendet, um den angezeigten Temperaturwert in Bezug zur Drift zu kompensieren oder zu korrigieren.
Um eines oder mehrere Merkmale der Erfindung besser einzusehen, werden mehrere beispielhafte Ausführungen der Driftkompensationssysteme, der Sensorsysteme, eines Sensormesssystems und eines Driftcharakterisierungsprüfgeräts nachstehend in Bezug zu den folgenden Figuren veranschaulicht und beschrieben. Obwohl die Driftkompensations- und Sensorsysteme der vorliegenden Erfindung in den Beispielen und Figuren der Erfindung dargestellt und beschrieben werden, wobei Thermoelemente, RTDs, Thermistoren und andere Wärmemessaufnehmer zum Messen von Temperaturen verwendet werden, werden auch die verschiedensten anderen Sensortypen und -messungen einschließlich Druck-, Durchfluss-, Feuchte- und chemische Sensoren im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung auch vorweggenommen, wobei eine Drift vom Sensorausgang kompensiert werden kann.
1 veranschaulicht ein herkömmliches thermoelektrisches Gerät 100, wie es von einem Thermoelementehersteller geliefert und in einem Temperaturüberwachungssystem verwendet werden kann, während 2 ein begleitendes schematisches Symbol 200 des Thermoelements von 1 veranschaulicht. Die meisten üblichen Thermoelemente sind Temperaturmessgeräte oder Sensoren, die zwei ungleichartige Metalle umfassen, die an einem Ende miteinander verbunden sind, das die Messlötstelle genannt wird. Die zwei Metalle weisen eine Polarität in Bezug zueinander auf und eines von diesen wird als das positive Bein und das andere als das negative Bein bezeichnet. Die zwei freien Enden, die das kalte Ende genannt werden, erzeugen eine Spannung (EMK), die zum Temperaturunterschied zwischen dem heißen Ende und dem kalten Ende proportional ist.
Mit Bezug zurück auf 1 weist das herkömmliche Thermoelement typischerweise einen Edelstahlmantel 110 zum Schutz über der Messlötstelle, die darin vergossen sein kann (z.B. ein Keramik- oder Epoxidharzvergussmaterial), zusammen mit einem Übergang 120 (z.B. Edelstahl) auf, um den Übergang bis zu einer Länge eines isolierten Hochtemperaturleitungsdrahtes 130 zu schützen. Der Leitungsdraht 130 kann auch eine Wärmeschrumpfschutzlänge und ein Etikett 140 aufweisen, bevor er in einem Ministecker 145 endet.
3 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines beispielhaften Driftkompensationssystems 300 zum Kompensieren hinsichtlich der Drift eines Sensors in einem Überwachungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es z.B. in den verschiedensten Sensormesssystemen einschließlich eines Thermoelementsystems zur Temperaturmessung verwendet werden kann. Das Driftkompensationssystem 300 umfasst ein Driftcharakterisierungsprüfgerät 310 zum Prüfen und Charakterisieren eines Sensorprüflings 320. Das Charakterisierungsprüfgerät 310 ist funktionsfähig, um eine vorbestimmte Umgebung auf den Sensor einwirken zu lassen, wie z.B. eine vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeitperiode oder einen vorbestimmten Druck für eine vorbestimmte Zeitperiode. Die vorbestimmte Einwirkung kann weiter eine vom Benutzer oder Kunden eingegebene erwartete Einwirkung 330 umfassen, wie z.B. eine erwartete Temperatur und Zeitperiode für einen Wärmesensor.
Das Ergebnis der Driftcharakterisierungsprüfungen bei dem Prüfling 320 würde eine Driftfunktion 340 in den Einheiten des speziellen Sensortyps als eine Funktion von Zeit liefern (z.B. eine Funktion von Temperatur und Zeit für einen Wärmesensor oder eine Funktion von Druck für einen Drucksensor). Die Driftfunktion 340 kann auch als der Driftfunktion zugeordnete Parameter oder angepasste Datenkoeffizienten einer mathematischen Driftfunktion über ein festgelegtes Zeitintervall oder als mehrere Sätze von Datenkoeffizienten über mehrere Zeitintervalle dargestellt werden. Die der Driftfunktion und dem Sensorprüfling zugeordneten Parameter werden dann in einem dem zweiten Sensor 355 zugeordneten Speicher-Speicherbaustein 350 gespeichert, wobei der Sensor 355 und der Speicher-Speicherbaustein 350 ein Sensorsystem 360 des Driftkompensationssystems 300 umfassen.
Ein Driftkompensationsapparat 370, der sich mit dem Sensorsystem 360 koppeln lässt, misst den Sensorausgang 375 (z.B. eine Strommessung der Temperatur oder des Drucks) und gewinnt Parameter 380 wieder, die die Driftfunktion 340 darstellen, die im Speicher-Speicherbaustein 350 gespeichert sind. Der Driftkompensationsapparat 370 verwendet dann die Parameter 380, um den Ausgang 375 des zweiten Sensors 355 entsprechend der Drift des Sensors 355 als eine Funktion der Einwirkzeit und -temperatur 330, die durch den Sensorprüfling 320 charakterisiert ist, zu kompensieren.
Verschiedene Elemente des Driftkompensationssystems 300 können am besten in den Beispielen der folgenden Figuren eingesehen werden. 4 veranschaulicht z.B. ein Blockdiagramm eines beispielhaften Driftcharakterisierungsprüfgeräts 400, das dem Prüfgerät 310 von 3 ähnelt, gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Prüfgerät 400 von 4 ermöglicht die Prüfung und Charakterisierung eines Sensorprüflings als eine Funktion von Temperatur und Zeit im Fall eines Wärmesensors. Das Prüfgerät 400 umfasst eine Wärmeprüfkammer 405, in der ein Sensorprüfling 410 einer vorbestimmten Wärmeeinwirkung von Zeit und Temperatur 412 zur Charakterisierung des Prüflings 410 ausgesetzt wird. Ein Messglied 415 (z.B. ein A/D-Wandler ADC oder ein Digitalmultimeter DMM) überwacht den Ausgang des Sensorprüflings 410.
Ein Driftanalysator 420 registriert die Messungen des Prüflings 410 mit der Zeit und speichert diese thermische Vorgeschichte in einem Lokalspeicher 425. Die thermische Vorgeschichte wird unter Verwendung eines Driftmakros 430 im Driftanalysator 420 analysiert, um eine Driftfunktion 435 des Ausgangs in Bezug zur Zeit zu definieren. Parameter, die die Driftfunktion 435 darstellen, wie z.B. eine zweidimensionale Matrix 440 von Driftdaten oder angepasste Driftkoeffizienten 445, werden dann in einem zum Speicher-Speicherbaustein 350 des Driftkompensationssystems 300 von 3 ähnlichen Speicher-Speicherbaustein 450 gespeichert. Folglich ist das Ergebnis des Driftcharakterisierungsprüfgeräts 400 von 4 die Herleitung einer Driftfunktion 435, die als Parameter (z.B. 440, 445) in einem Speicher 450 (z.B. einem EEPROM oder einem anderen solchen Speicherbauelement oder Speicherstelle, einem RFID-Kennzeichen, einem Strichcode, einem rechnerlesbaren Medium) gespeichert wird, der sowohl dem Sensorprüfling 410 als auch einem zweiten Sensor (z.B. 355 von 3) von demselben Materiallos zugeordnet ist.
5 veranschaulicht z.B. ein beispielhaftes Thermoelementdriftcharakterisierungsprüfsystem 500 zum Prüfen und Charakterisieren von einem oder mehreren von einem spezifischen Los von Material gefertigten Prüflingen eines Sensors in Bezug zu einem erwarteten oder vorbestimmten Zeit- und Temperaturprofil entsprechend dem Prüfgerät 400 von 4. In dem Prüfsystem 500 von 5 ist ein spezielles Materiallos mit im Wesentlichen oder messbar denselben chemischen und metallurgischen Eigenschaften beigebracht worden. Z.B. kann eine Rolle von Thermoelementdraht 510, der von einer speziel len Schmelze und einem speziellen Prozess gefertigt ist, als das Materiallos für die Herstellung eines Loses von Thermoelementen dienen. Ein Prüfling 515, der von der Rolle von Thermoelementdraht 510 abgeschnitten ist, liefert eine repräsentative Sensorprobe 515 des Materialloses zur Charakterisierung. Um eine Materialreproduzierbarkeit zu gewährleisten, verwendet der Erfinder einen von jedem Ende der Rolle 510 abgeschnittenen Sensorprüfling 515. Dann kann, wenn die Proben messbar in Eigenschaften oder der Prüfcharakterisierung abweichen, die Rolle in zwei Hälften geteilt werden und neue Prüflingsenden abgeschnitten und wieder verglichen werden.
Der Sensorprüfling 515 ist auf einem Teststand 520 zusammen mit einem bekannten Bezugsstandard, wie z.B. einem Bezugsthermoelement 525 zur Anzeige der wahren Temperatur, in einer Keramikisolationshülle 530 in einer Wärmeprüfkammer 535 montiert. Der Prüfsensor 515 zusammen mit dem Bezugssensor 525 können mittels Steckern und Buchsen 540 mit einem Messglied 545 (z.B. einem DMM oder ADC) in einem Rechner 550 gekoppelt werden. Der Rechner 550 zusammen mit z.B. einem Software-Makro oder Spezialprogramm und der Rechnerspeicher werden verwendet, um die thermische Vorgeschichte des Prüflings (der Prüflinge) in Bezug zu Zeit und Temperatur zu speichern und eine Driftfunktion oder Parameter 555 (z.B. angepasste Driftdatenkoeffizienten), die der Driftfunktion des Prüflings zugeordnet sind, zu entwickeln. Die Wärmeprüfkammer 535 kann auch zur genauen Regelung der Temperatur in der Wärmeprüfkammer 535 eine Temperaturregelung 557 vom Rechner 550 empfangen. Die Driftparameter 555 werden dann in einem Speicher-Speicherbaustein 560 (z.B. einem EEPROM, EPROM, Speicherbauelement, Speicherstelle auf einem Netzwerk, einem RFID-Kennzeichen oder einem Strichcode) gespeichert oder programmiert, wobei z.B. ein EEPROM-Programmiergerät oder Brenner 565 verwendet wird.
Folglich speichert, wie zuvor erörtert, der Speicher 560 deshalb die Parameter 555, die eine Charakterisierung der Driftfunktion darstellen, die sowohl dem Sensorprüfling 515 als auch einer Mehrzahl von anderen Thermoelementsensoren zugeordnet ist, die von demselbem Materiallos 510 gefertigt sind.
Z.B. veranschaulicht 6 ein beispielhaftes Temperaturmess- und Driftkompensationssystem 600 zum Messen und Kompensieren des Ausgangs eines TC-Sensorsystems mit einem Thermoelement und einem zugeordneten Speicher-Speicherbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Sensorsystem 610 umfasst einen TC-Sensor 615 und einen zugeordneten Speicher-Speicherbaustein 620 (z.B. einen EEPROM), die zusammen in einem Verbindergehäuse 622 untergebracht sind, wobei der Sensor 615 und der Speicher 620 mittels eines spezifischen Materialloses und abgeleiteter Driftfunktionsparameter verknüpft sind, die im Speicher 620 gespeichert sind. Der Thermoelementsensor 615 liefert einen analogen Ausgang 625, während ein digitaler Ausgang 630 durch den EEPROM-Speicher 620 geliefert wird, die gemeinsam mit einem Thermoelementdriftkompensationsapparat 635 gekoppelt sind. Der analoge Sensorausgang 625 der Thermoelement-615-Temperaturmessung wird mit einem A/D-Wandler ARC 640 des TC-Driftkompensationsapparats 635 zur Umwandlung zu einem digitalen Wort gekoppelt, während der digitale Ausgang 630 des Speichers 620 über einen digitalen Eingangsport 645 in einem von einem seriellen oder parallelen Eingabeformat in den Apparat 635 eingegeben wird.
Ein Vergleichslötstellenkompensations (CJC)-Sensor 647, der sich im Verbindergehäuse 622 befinden kann, liefert eine Temperaturmessung der Vergleichslötstelle des Sensors 615. Der analoge Ausgang des CJC-Sensors 647 wird zu einer Vergleichslötstellenkompensationsschaltung 648 rückgekoppelt, der dann durch den ADC 640 zu einem digitalen Wert umgewandelt wird, um dem Mikroprozessor 650 zur Verfügung gestellt zu werden.
Der beispielhafte TC-Driftkompensationsapparat 635 weist einen Mikroprozessor 650 auf, der zu Beginn (z.B. bei Einschalten des TC-Driftkompensationsapparats 635) die Parameter aus dem EEPROM-Speicher 620 und den Temperaturmessanzeigen wiedergewinnt, und sie in einem Lokalspeicher 655 speichert. Der Mikroprozessor 650 analysiert die Temperaturmessungen in Bezug zu Temperatur und Zeit, synchronisiert durch einen Takt 657, und kompensiert den Sensorausgang 625 entsprechend den gespeicherten Parametern des Speichers 620, um einen driftkompensierten Ausgang 660 von einem Ausgangsport 665 des TC-Driftkompensationsapparats 635 zu liefern.
Z.B. kann der Sensorteil des TC-Sensors 615 in einem 1000°C-Ofen platziert sein, während sich der Verbinderteil 622 im Allgemeinen in einer Umgebungstemperatur außerhalb des Ofens aufhält, wodurch der EEPROM-Speicher 620 thermisch geschützt wird.
Die 7A-C veranschaulichen mehrere beispielhafte Sensorsysteme (z.B. Thermoelementsensorsysteme), die verschiedene Typen von Speicher-Speicherbausteinen zum Speichern von Parametern, die der Drift eines Sensors (z.B. Thermoelement) zugeordnet sind, nutzen, gemäß der vorliegenden Erfindung. Z.B. veranschaulicht wie oben im Zusammenhang mit einem EEPROM-Speicher-Speicherbaustein von 6 erörtert, 7A ein Sensorsystem 700 eines solchen beispielhaften EEPROM-Speicher-Speicherbausteins 710, der in einem Verbindergehäuse 720 des Sensorsystems 700 eingebettet sein kann. In dem gegenwärtigen Beispiel kann ein Thermoelement 730 im Verbindergehäuse 720 mit einem Satz von TC-Verbinderstiften 735a und 735b gekoppelt sein, während der EEPROM 710 z.B. zusätzliche EEPROM-Verbinderstifte 737 zur Energie- und Speicherzugriffssteuerung benötigen kann. Ein Vorteil dieses Typs Speicher-Speicherbaustein ist, dass ein angeschlossenes Sensorüberwachungssystem direkt auf den Speicher-Speicherbaustein 710 zugreifen kann, um die der Drift des Sensors 730 zugeordneten gespeicherten Parameter unmittelbar und ferngesteuert wiederzugewinnen.
7B veranschaulicht ein anderes Sensorsystem 740 mit einem anderen beispielhaften Speicher-Speicherbaustein 750, der ein Radiofrequenzidentifizierungs (RFID)-Kennzeichen umfasst, das in einem Verbindergehäuse 720 eingebettet ist. Wieder speichert der Speicher-Speicherbaustein 750 die der Drift eines Sensors (z.B. Thermoelement) zugeordneten Parameter gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Vorteil dieses Typs Speicher-Speicherbaustein besteht darin, dass keine zusätzlichen Verbinderstifte erforderlich sind, die gespeicherten Parameter aus einem gewissen Abstand von dem Sensor und ohne direkten Kontakt mit dem Sensor gelesen werden können und möglicherweise durch das Sensorüberwachungssystem in kurzen Entfernungen gelesen werden können, um die gespeicherten Parameter unmittelbar und ferngesteuert wiederzugewinnen.
7C veranschaulicht noch ein anderes Sensorsystem 760 mit einem beispielhaften Speicher-Speicherbaustein 770, der einen Strichcode umfasst, der z.B. auf einem Etikett 770a auf dem Verbindergehäuse 720, auf einem Folieneinschweißetikett 770b oder als Teil eines anderen solchen ID- oder Seriennummer-Etiketts 770c aufgebracht ist. Wieder speichert der Speicher-Speicherbaustein 770 die der Drift eines Sensors (z.B. Thermoelement) zugeordneten Parameter gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Vorteil dieses Typs Speicher-Speicherbaustein ist, dass keine zusätzlichen Verbinderstifte erforderlich sind, die gespeicherten Parameter durch einen herkömmlichen Strichcodeleser gescannt und ohne direkten Kontakt mit dem Sensor gelesen werden können, um die gespeicherten Parameter zur Kompensation der Drift eines Temperaturüberwachungssystems wiederzugewinnen, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein anderer Aspekt der Erfindung liefert eine Methodik zum Kompensieren der Drift eines Thermoelementüberwachungssystems, wie hierin veranschaulicht und beschrieben, sowie anderer Typen von Sensorsystemen mit einer Sensordrift.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung korrigiert oder kompensiert hinsichtlich Quellen von Drift, die im Labor unter Verwendung von von einem charakterisierten Materiallos gefertigten Sensoren vorhergesagt und reproduziert werden kann, wodurch Variationen im Ausgang des Systems zwischen Losen aufgrund von Drift minimiert werden. Die Erfindung trägt weiter einer Anwendungsveränderlichkeit Rechnung, indem fakultativ eine Eingabeeinrichtung für die speziellen Zeit- und/oder Temperaturbedingungen einer Kundenanwendung und der Korrekturen derselben aufgrund von Drift ermöglicht wird.
Das Verfahren stützt sich auf die Erwartung, dass Prüflinge von von einem Materiallos gefertigten Sensoren, die ähnliche chemische und metallurgische Eigenschaften aufweisen, eine Drift zeigen, die für alle Sensoren im Los bezeichnend ist. Z.B. kann in einem Temperatursensor die Drift für eine oder mehrere Prüflingssensoren als eine Funktion von z.B. Zeit und Temperatur charakterisiert werden. Die Driftcharakterisierung würde dann die Änderung im Ausgang als eine Funktion von Zeit bei einer spezifizierten Temperaturbedingung sein. Die Driftcharakterisierung kann in den verschiedensten Formaten, z.B. Datentabellen und Parameter, die die mathematische Funktion der Driftänderung als eine Funktion von Zeit darstellen, in den verschiedensten Medien oder Geräten, z.B. EEPROM, RFID-Kennzeichen und Strichcodeetiketts einschließlich eines Speicherbausteins aufgezeichnet oder gespeichert werden. Ein Sensorsystem wird gebildet, wenn die im Speicherbaustein gespeicherte Driftcharakterisierung einem zweiten Sensor zugeordnet wird, der von demselben Materiallos gefertigt ist.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird, wenn der zweite Sensor dann verwendet und überwacht wird (z.B. in dem Driftkompensations- und -messsystem von 6) die Driftcharakterisierung (z.B. ein Satz von Parametern) verwendet, um die Drift in den Sensormessungen zu kompensieren.
Mit Bezug nun auf 8 ist ein beispielhaftes Verfahren 800 zur Charakterisierung eines Sensorprüflings und zur Kompensation hinsichtlich der Drift in einem Sensormesssystem veranschaulicht, gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung, z.B. in einem Charakterisierungsprüfgerät, das dem System von 5 ähnelt, und einem Sensormess- und Kompensationssystem, das dem System von 6 ähnelt. Während das Verfahren 800 und andere Verfahren hierin als eine Reihe von Vorgängen oder Ereignissen unten veranschaulicht und beschrieben sind, ist es ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung durch die veranschaulichte Reihenfolge von solchen Vorgängen oder Ereignissen nicht beschränkt wird. Z.B. können einige Vorgänge in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen getrennt von denjenigen, die hierin veranschaulicht und/oder beschrieben sind, stattfinden, gemäß der Erfindung. Zusätzlich können nicht alle veranschaulichten Schritte erforderlich sein, um eine Methodik gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Weiter kann das Verfahren 800 gemäß der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den Kompensationssystemen, -elementen und -geräten, die hierin veranschaulicht und beschrieben sind, sowie im Zusammenhang mit anderen Systemen, Elementen und Geräten, die nicht veranschaulicht sind, ausgeführt werden.
Das beispielhafte Driftkompensationverfahren 800 von 8 beginnt bei 805. Zu Beginn wird bei 810 ein Sensorprüfling (z.B. der Sensorprüfling 515 von 5) einer vorbestimmten Wärmeumgebung, die eine vorbestimmte Temperatur umfasst, für eine vorbestimmte Zeit in z.B. einer Wärmeprüfkammer 535 ausgesetzt. Bei 820 wird der Ausgang des Sensorprüflings (z.B. durch das Messglied 545 von 5) über Zeit und Temperatur im Vergleich zu einem Bezugssensor (z.B. das Bezugsthermoelement 525 von 5) gemessen, wobei der Sensorausgang als eine Funktion von z.B. Zeit und Temperatur geliefert wird. Über die vorbestimmte Zeit und Temperatur oder z.B. eine Reihe von vorbestimmten Zeiten und Temperaturen kann der Sensorausgang des Sensorprüflings 515 eine Drift zeigen, die bei 830 als die Funktion von z.B. Zeit und Temperatur charakterisiert wird und als eine Driftfunktion des Prüflings in z.B. einem Speicher eines Rechners 550 gespeichert wird.
Parameter (z.B. mathematische Koeffizienten), die der Driftfunktion (oder Driftcharakterisierung) zugeordnet sind, werden dann bei 850 zum zukünftigen Bezug in einem Speicher-Speicherbaustein 560 (z.B. einem EEPROM 560 von 5 und 710 von 7A, einem RFID-Kennzeichen 750 von 7B oder einem Strichcode 770a-c von 7C) gespeichert, wobei der Speicher-Speicherbaustein (z.B. 560 von 5 oder 620 von 6), der dem zweiten Sensor (z.B. 615 von 6) zugeordnet ist, von demselben Materiallos wie der Prüfsensor 515 gefertigt ist.
Wenn der zweite Sensor 615 später in einem Sensormesssystem, z.B. dem Sensormess- und Kompensationssystem 600 von 6, verwendet wird, werden die Driftfunktionsparameter von dem Speicher-Speicherbaustein 620 bei 860 in z.B. einen Driftkompensationsapparat 635 eingegeben (z.B. 630 und 645 von 6). Die Driftfunktionsparameter werden zum Kompensieren der Drift im Ausgang 625 des zweiten Sensors 615 verwendet, der von demselben Materiallos wie der charakterisierte Sensorprüfling 515 gefertigt ist.
Danach endet das Driftkompensationsverfahren der vorliegenden Erfindung bei 890. Folglich charakterisiert das beispielhafte Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Driftfunktion eines Prüflingssensors, speichert Parameter, die der Driftfunktion zugeordnet sind, in einem Speicher-Speicherbaustein, der einem zweiten Sensor zugeordnet ist, der von demselben Materiallos gefertigt ist, und kompensiert die Ausgangsdrift des zweiten Sensors unter Verwendung der Parameter, die im Speicher-Speicherbaustein, der mit dem zweiten Sensor als Einheit ausgebildet ist, gespeichert sind.
9 veranschaulicht ein Tabellenblatt einer beispielhaften zweidimensionalen Tabelle von Wärmesensormessdaten 900 als eine Funktion von Zeit und Drift bei einer vorbestimmten Temperatur, wie sie z.B. durch das Thermoelementdriftcharakterisierungsprüfgerät von 5 erzeugt werden kann. Im Allgemeinen kann man beobachten, dass die Drift oder Änderung in der angezeigten Temperatur des Sensors an Größe zunimmt, während sich die Einwirkzeit bei einer vorbestimmten Anwendungstemperatur erhöht. Das 2-D-Array von Daten 900 kann z.B. in einem Speicher-Speicherbaustein vom EEPROM-Typ gespeichert werden, der einem Sensorprüfling zugeordnet ist und als Einheit mit einem zweiten Sensor ausgebildet ist, der von demselben Materiallos gefertigt ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
10 veranschaulicht ein Tabellenblatt von beispielhaften einer Driftfunktion eines charakterisierten Sensors zugeordneten Parametern 1000. Die Parameter 1000 umfassen angepasste Datenkoeffizienten von Thermoelementmessdaten, die eine Funktion von Zeit und Drift bei einer vorbestimmten Temperatur darstellen, die eine Form aufweisen, die denjenigen von Gleichung 1010 ähneln. Die beispielhaften Daten sind in drei Segmente T1, T2 und T3 eingeteilt, wobei jedes z.B. die Driftgleichung 1010 verwendet, die Datenkoeffizienten C0-C2 aufweist, die ein Zeitsegment t_TIEF bis t_HOCH überdecken. Die angepassten Datenkoeffizientenparameter 1000 können z.B. von den zweidimensionalen Daten 900 hergeleitet sein, die in 9 tabellarisiert sind. Solche Parameter (z.B. Werte, Datenkoeffizienten, Datenmessungen, Funktionen) können in einem Speicher-Speicherbaustein eines Sensorsystems gespeichert werden und später in einem Sensordriftkompensationssystem verwendet werden, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Frfindung, um die Drift in den Messungen eines Sensors zu kompensieren.
11 veranschaulicht eine Kurve 1100, die die Drift mit der Zeit von mehreren beispielhaften Thermoelementtypen und -materialien für ein Temperaturüberwachungssystem grafisch darstellt. Z.B. veranschaulicht die Driftauftragung des Gegenstands #1, Gordontype K, Niedrigdriftthermoelementmaterial, weiter grafisch die Daten 900, die in 9 tabellarisiert sind, und die angepassten Datenkoeffizienten 1000 von 10, die in drei Zeitsegmente T1, T2 und T3 eingeteilt worden sind. Die Driftauftragungen von 11 umfassen 5 Typen von Thermoelementen und -materialien, die für 30 Tage bei einer Temperatur von 2300°F thermisch überwacht sind. Die Driftauftragungen demonstrieren auch die Notwendigkeit zur Charakterisierung und zur Kompensation der Drift als eine Funktion von Zeit und/oder Temperatur. Ein Polynom, das stückweise polynomische Funktionen (z.B. 10) umfasst, kann nützlich sein, insbesondere, wenn eine wilde oder etwas unstetige Driftauftragung charakterisiert wird (z.B. der Gegenstand #3, Nicrobellmantel, Typ K, Thermoelementauftragung von 11 jenseits von etwa der 300-Stunden-Zeit).
Obwohl drei Zeitsegmente verwendet worden sind, um die Driftcharakteristika und -parameter der beispielhaften Sensordriftdaten zu beschreiben, kann eine beliebige Anzahl von Segmenten und Parametern sowie beliebige mathematische Ausdrücke, Datentabellen oder Algorithmen verwendet werden, um einen Probenprüfsensor und einen zweiten Sensor, der demselben Materiallos zugeordnet ist oder von ihm gefertigt ist, zu beschreiben, und werden im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen.
12 veranschaulicht die Veränderlichkeit bei Driftgeschwindigkeiten aufgrund von unterschiedlichen Anwendungsbedingungen. Die Kurve von 12 stellt eine Reihe von alternierenden lokalen minimalen und maximalen Temperaturen entsprechend Driftanzeigen bei 800 bzw. 1000°C dar. In jedem Fall wurden die Sensoren der entsprechenden Temperatur 24 h lang ausgesetzt und dann der anderen Temperatur für den nächsten Zyklus ausgesetzt. Die 800°C-Driftgeschwindigkeit konnte durch einen Wert von 2E-3°C/Stunde über die 2400-Stunden-Prüfung angenähert werden oder konnte für eine präzisere Driftkompensationsfunktion über kleinere Intervalle in Untergebiete eingeteilt werden. Die 1000°C konnte desgleichen mit einer 3E-3°C/Stunde-Driftgeschwindigkeit angenähert werden, die geringfügig höher als die 800°C-Geschwindigkeit ist.
Folglich kann, sei es, dass eine Drift durch Einwirkung einer einzelnen festen Temperatur- und Zeitumgebung oder mehrerer Temperaturen für mehrere Zeiten hervorgerufen wird, die Driftfunktion entsprechend dem Driftkompensationssystem und -verfahren der vorliegenden Erfindung charakterisiert und kompensiert werden.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Ausführungen veranschaulicht und beschrieben worden ist, kommen anderen Fachleuten beim Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der angefügten Zeichnungen äquivalente Änderungen und Modifikationen in den Sinn. Mit speziellem Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten (Anordnungen, Geräte, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Ausdrücke (einschließlich eines Bezugs auf eine "Einrichtung"), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, wenn nicht anders angegeben, jeglicher Komponente entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z.B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie zu der offenbarten Struktur, die die Funktion in den hierin veranschaulichten beispielhaften Ausführungen der Erfindung ausführt, nicht strukturell äquivalent ist.

Claims

Driftkompensationssystem (300) zum Kompensieren der Drift eines Sensors in einem Fertigungslos, umfassend: einen Sensorprüfling (320, 410, 515), der von einem Los von Material mit im Wesentlichen ähnlichen chemischen oder metallurgischen Eigenschaften gefertigt ist; dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst: ein Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400), bei dem der Prüfling (320, 410, 515) einer vorbestimmten Wärmeumgebung ausgesetzt ist und bei dem Messungen des Prüfling (320, 410, 515)-Ausgangs analysiert werden, um eine funktionale Beziehung zwischen Temperatur und Zeit zu liefern, die mit dem Sensorprüfling (320, 410, 515) verbunden ist; eine Driftfunktion (340, 435), die die Beziehung zwischen Zeit und Temperatur beschreibt, die von der Wärmeeinwirkungsprüfung des Prüflings (320, 410, 515) im Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400) hergeleitet ist; ein Sensorsystem (360, 610), umfassend: einen zweiten Sensor (355), der von demselben Los von Material wie der Sensorprüfling (320, 410, 515) gefertigt ist; und einen Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) zum Speichern von mit der Driftfunktion (340, 435) verbundenen Parametern (555) des Sensorprüflings (320, 410, 515) und des zweiten Sensors (355); einen Driftkompensationsapparat (370), der sich mit dem zweiten Sensor (355) koppeln lässt und funktionsfähig ist, um die gespeicherten Parameter (555) der Driftfunktion (340, 435) von dem Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) wiederzugewinnen und den Ausgang des zweiten Sensors (355) auf Grundlage der Driftfunktion (340, 435) zu korrigieren; und wobei der Sensorprüfling (320, 410, 515) der vorbestimmten Wärmeumgebung im Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400) ausgesetzt ist, um die Driftfunktion (340, 435) zu charakterisieren, die von dem Driftkompensationsapparat (370) verwendet wird, um die Ausgangsdrift der Sensoren (355) zu kompensieren, die von demselben Los von Material gefertigt sind.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeeinwirkung eine Mehrzahl von vorbestimmten Temperaturen über eine vorbestimmte Zeitspanne umfasst.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1, bei dem die Kompensation der Drift eine Korrektur an einem von einem angezeigten Temperaturwert bezüglich einer Drift umfasst.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen erwarteten Wärmeeinwirkungseingang für das Sensorlos, der eine veranschlagte Temperatur und Zeit einer Wärmeeinwirkung auf das Sensorlos umfasst.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 4, bei dem die erwartete Wärmeeinwirkung eine vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeit umfasst.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1, bei dem der Prüfling (320, 410, 515) und zweite Sensor (355) Thermoelemente sind.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1, bei dem das Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400) umfasst: einen Sensorprüfling (320, 410, 515), der zu charakterisieren ist; eine Wärmeprüfkammer (405, 535), um den Prüfling (320, 410, 515) eine vorbestimmte Zeit lang einer vorbestimmten Temperatur auszusetzen; ein Messglied (415, 545) zum Lesen des Ausgangs des Prüflings (320, 410, 515) als eine Funktion von Temperatur und Zeit; einen Driftanalysator (420) mit einem Lokalspeicher (425)-Speichervermögen zur Speicherung von Sensorausgangs (375)-Daten als eine Funktion von Temperatur und Zeit, der funktionsfähig ist, um die Daten zu analysieren und eine Driftfunktion (340, 435) zu charakterisieren, und mit einem Driftmakro (430), das funktionsfähig ist, um einen Satz von Driftfunktions (340, 435)-Parametern (555) zu bestimmen, die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind; und wobei das Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400) funktionsfähig ist, um die Parameter (555) von der Charakterisierung des Sensorprüflings (320, 410, 515), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, zu einem Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710), der mit einem zweiten Sensor (355) verbunden ist, auszugeben.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1, bei dem der Driftkompensationsapparat (370) umfasst: einen Eingangsteil, der sich mit dem Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) koppeln lässt und funktionsfähig ist, um die gespeicherten Parameter (555) der Driftfunktion (340, 435) von dem Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) wiederzugewinnen; einen Messteil, der sich mit dem zweiten Sensor (355) koppeln lässt, um den gegenwärtigen Ausgang des Sensors (355) vor Kompensation einer Drift zu messen und Messdaten zu einem Prozessorteil zu liefern; wobei der Prozessorteil funktionsfähig ist, um die Parameter (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, und den gegenwärtigen Ausgang des Sensors (355) zu verwenden und die ausgegebenen Messungen des zweiten Sensors (355) auf Grundlage der Parameter (555) zu korrigieren; einen Lokalspeicher (425)-Teil, um gegenwärtige Messungen, die Parameter (555) und andere Werte zu speichern, die notwendig sind, um die Sensormessungen, die mit der Drift verbunden sind, zu kompensieren; einen Ausgangsteil, um den kompensierten Ausgang des Sensors (355) einem externen Gerät zuzuführen; und wobei sich der Driftkompensationsapparat (370) mit dem zweiten Sensor (355) koppeln lässt und funktionsfähig ist, um die gespeicherten Parameter (555) der Driftfunktion (340, 435) von dem Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) wiederzugewinnen und den gegenwärtigen Ausgang des zweiten Sensors (355) auf Grundlage der Driftfunktion (340, 435) zu korrigieren.
Driftkompensationsverfahren (800) zum Kompensieren der Drift eines Sensors in einem Messsystem, umfassend einen Sensorprüfling (320, 410, 515), der von einem Los von Material mit im Wesentlichen ähnlichen chemischen oder metallurgischen Eigenschaften gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst: ein Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400), eine Driftfunktion (340, 435), ein Sensorsystem (360, 610), das einen zweiten Sensor (355), der von demselbem Los von Material wie der Sensorprüfling (320, 410, 515) gefertigt ist, und einen Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) umfasst, und einen Driftkompensationsapparat (370), wobei das Verfahren umfasst: Aussetzen eines Sensorprüflings (320, 410, 515) einer vorbestimmten Wärmeumgebung im Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400); Messen des Ausgangs des Sensors als eine Funktion von Temperatur und Zeit; Charakterisieren und Speichern einer Driftfunktion (340, 435) für den Sensor, wobei die Driftfunktion (340, 435) die Beziehung zwischen Zeit und Temperatur beschreibt, die von den Wärmeeinwirkungs-Temperatur- und -Zeitmessungen des Prüflings (320, 410, 515) hergeleitet wird; Speichern von Parametern (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, im Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) des Sensorsystems (360, 610); Eingeben der Parameter (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, zum Driftkompensationsapparat (370), und Verwenden der Parameter (555), um die Ausgangsdrift des zweiten Sensors (355) zu kompensieren; und wobei der Sensorprüfling (320, 410, 515) der vorbestimmten Wärmeumgebung im Driftcharakterisierungsprüfgerät (310, 400) ausgesetzt wird, um die Driftfunktion (340, 435) zu charakterisieren, die von dem Driftkompensationsapparat (370) verwendet wird, um die Ausgangsdrift des zweiten Sensors (355) zu kompensieren, der von demselben Los von Material gefertigt ist.
Driftkompensationsverfahren (800) nach Anspruch 9, bei dem die Parameter (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, verwendet werden, um eine Driftkompensationsfunktion zu konstruieren, die funktionsfähig ist, um die Ausgangsdrift des zweiten Sensors (355) zu kompensieren.
Driftkompensationsverfahren (800) nach Anspruch 10, bei dem die Parameter (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, angepasste Datenkoeffizienten einer mathematischen Funktion sind.
Driftkompensationsverfahren (800) nach Anspruch 10, bei dem die Parameter (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, eine zweidimensionale Matrix der Messdaten von der Sensorprüfling (320, 410, 515)-Charakterisierung sind.
Driftkompensationsverfahren (800) nach Anspruch 10, bei dem die Parameter (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind, angepasste Datenkoeffizienten einer Mehrzahl von mathematischen Funktionen sind, die mit einer Mehrzahl von Segmenten der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind.
Driftkompensationsverfahren (800) nach Anspruch 9, bei dem das Charakterisieren und Speichern einer Driftfunktion (340, 435) für den Sensor umfasst: Analysieren der Messausgänge des Prüflings (320, 410, 515) und Herleiten einer Driftfunktion (340, 435) auf Grundlage der Beziehung der Temperatur und Zeit, die mit der Drift des Prüflings (320, 410, 515) verbunden ist, und Speichern von Parametern (555), die mit der Driftfunktion (340, 435) verbunden sind.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1 oder Driftkompensationsverfahren (800) nach Anspruch 9, bei dem der Prüfling (320, 410, 515) und zweite Sensor (355) eines von einem Widerstandstemperaturdetektor, einem Thermistor, einer Diode, einem Transistor, einem Drucksensor, einem Feuchtesensor, einem chemischen Sensor und einem Durchflusssensor umfasst.
Driftkompensationssystem (300) nach Anspruch 1 oder Driftkompensationsverfahren (800) nach Anspruch 9, bei dem der Speicher-Speicherbaustein (350, 450, 560, 620, 710) des Sensorsystems (360, 610) eines von einem EPROM, einem EEPROM, einem Strichcode, einem RFID-Kennzeichen, einer virtuellen Speicherstelle auf einem Netzwerk, einem Speicherelement, einem Rechner (550) lesbaren Medium und einer Rechnerplatte umfasst.