DE4446775B4

DE4446775B4 - Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren

Info

Publication number: DE4446775B4
Application number: DE19944446775
Authority: DE
Inventors: Josef Avenwedde; Detlef Niehaus
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 1994-12-24
Filing date: 1994-12-24
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2014-12-25
Also published as: DE4446775A1

Abstract

Verfahren zur Kompensation der Offsetdrift von Sensoren (1) oder von Messketten aus Sensoren (1) und Verstärkerschaltungen (2), welche in Haushaltgeräten mit einer elektronischen Programmsteuerung verwendet werden, wobei die Sensoren oder Messketten Zustandsgrößen als Eingangsgrößen ermitteln und als Ausgangsgrößen an einen Steuerrechner (4) der elektronischen Programmsteuerung zur Auswertung weitergeben und wobei die Ausgangsgrößen von und mindestens einem Datenspeicher (5) in der elektronischen Programmsteuerung speicherbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass während eines ersten Programmablaufs
– eine Erfassung von mehreren Ausgangsgrößen bei verschiedenen Betriebs-Temperaturen, wobei die Erfassung in Betriebszuständen erfolgt, welche die Eingangsgröße Null besitzen,
– eine Berechnung einer Offsetgröße aus der jeweiligen Ausgangsgröße und der Eingangsgröße Null,
– eine Erfassung der Temperatur während der Erfassung der jeweiligen Ausgangsgröße,
– Abspeichern von Offsetgrößen und den dazugehörigen Temperaturwerten in einem nichtflüchtigen Datenspeicher (5),
– und daraus Berechnen einer temperaturabhängigen Offsetdrift,
erfolgt, und dass während des folgenden Programmablaufs...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Offsetdrift von Sensoren oder von Messketten aus Sensoren und Verstärkerschaltungen, welche in Haushaltgeräten mit einer elektronischen Programmsteuerung verwendet werden, wobei die Sensoren oder Messketten Zustandsgrößen als Eingangsgrößen ermitteln und als Ausgangsgrößen an einen Steuerrechner der elektronischen Programmsteuerung zur Auswertung weitergeben und wobei die Ausgangsgrößen von mindestens einem Datenspeicher in der elektronischen Programmsteuerung speicherbar sind.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der DE 39 00 705 A1 zur Kalibrierung eines Sensors zur Wassermengenbestimmung im Laugenbehälter einer Waschmaschine bekannt.

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.

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 Messwerterfassung einmal im Fertigungsprozess durch Hard- oder Software abgeglichen.

Aus der vorgenannten DE 39 00 705 A1 ist darüber hinaus ein permanenter Abgleich eines Sensors durch Vergleich mit einer Sollkurve bekannt.

Die EP 0 580 462 A1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur von Wärmefehlern in einer Erfassungsschaltung für physikalische Größen, die durch einen Sensor bereitgestellt werden. Hierbei werden vorbekannte Referenzwerte der Erfassungsschaltung bei unterschiedlichen Temperaturen vorgegeben und anhand der aus den Referenzwerten erfassten Ergebnisse Korrekturwerte ermittelt. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es notwendig, dass die Referenzwerte selbst hochgenau sind und keiner Temperaturdrift bzw. keine zeitabhängigen Drift unterliegen. Für die Bereitstellung der hochgenauen Referenzwerte sind umfangreiche bzw. teure Komponenten erforderlich. Da während der Korrekturphase anstelle der Sensorwerte die Referenzwerte von der Erfassungsschaltung bearbeitet werden, können temperaturabhängige Eigenschaften der Sensoren nicht mit erfasst und korrigiert werden.

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.

Vorhandene Lösungen und ihre Nachteile:

(i) Kompensation der Offset-Driften durch eine 'Zero'-Taste, mit der die Messeinrichtung bei fehlender Eingangsgröße manuell auf Null gesetzt wird. 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.
(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. Nachteile: – Auch in diesem Fall gilt die Offsetkalibrierung nur für kurze Zeit. Eine ständige Wiederholung in kurzen Zeitabständen ist erforderlich.
(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. 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.
(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. Nachteile: – Wie unter (iii), nur die zusätzlichen Bauteile werden nicht benötigt.

Aus der DE 37 19 532 C2 ist eine temperaturkompensierte Kraftmesseinrichtung (Waage) bekannt. Zur Kalibrierung der Waage wird vor ihrem Betrieb die temperaturabhängige Nullpunkt abweichung ermittelt. Hierzu wird diese zunächst bei einer vorgegebenen Temperatur (20°C) auf Null justiert. Anschließend wird die Umgebungstemperatur vor Betrieb innerhalb des gewünschten Verwendungsbereichs variiert und die gewichtsanzeigenden Signale mit den jeweils korrespondierenden Temperarturwerten abgespeichert. Die Durchführung dieser Maßnahme ist recht umfangreich, da eine genaue Messwertaufnahme bei unterschiedlich vorgegebenen Umgebungstemperaturen erforderlich ist.

Der Erfindung stellt sich somit das Problem, eine gegenüber den vorbeschriebenen Verfahren möglichst einfache, kostengünstige und genaue Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren zu schaffen. Erfindungsgemäß wird dieses Problem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus dem nachfolgenden Unteranspruch.

Das erfindungsgemäß durchgeführte Verfahren zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:

– Es ist keinerlei Anordnung zur individuellen Vermessung von Sensoren oder ganzer Messketten erforderlich, vielmehr werden die Offset-Eigenschaften im laufenden Betrieb erfasst.
– Es wird das Offsetverhalten der gesamten Messkette und nicht nur des Sensors korrigiert. Damit lassen sich auch mit preiswerten Komponenten im Messverstärker (z.B. Operationsverstärker) Präzisionsmessungen erreichen.
– Es handelt sich um ein selbstlernendes Verfahren, weil der Rechner zunächst 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.
– Das Verfahren ist adaptiv, weil es sich individuell der Messkette anpasst. Auf diese Weise werden auch Langzeit-Offsetdriften des System erkannt und laufend nachgeführt.
– Durch das beschriebene Verfahren können mit Low-Cost-Sensoren Präzisionsmessungen gemacht werden, da das reale Verhalten der Bauelemente im Betrieb erfasst wird und darauf aufbauend das fehlerbehaftete Ausgangssignal korrigiert werden kann.
– Das Verfahren eignet sich insbesondere für große Serien, da die Kompensationsparameter online bestimmt werden und somit keine Kosten bei der Fertigung der Messeinrichtung entstehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung rein schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Figur zeigt ein Blockschaltbild der Bauelemente zur Durchführung des Verfahrens zur Kompensation der thermischen Offsetdrift bei einem analogen Drucksensor (1) zur Erfassung des Laugenniveaus einer Waschmaschine. Das Signal des analogen Drucksensors (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-Digital-Umsetzer (3) aufbereitet und vom Steuerrechner (4) ausgewertet werden.
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 U_p und das der aktuellen Temperatur T der aus Drucksensor (1) und Verstärker (2) bestehenden Messkette entsprechende Spannungssignal U_T ein. Er hat die Möglichkeit, gemessene und errechnete Parameter in einem nicht-flüchtigen Datenspeicher (5) abzulegen.
Die Kompensation von thermischen und Langzeît-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 Datenspeicher (5) ab. Dazu muss er wissen, wann er den reinen Offset-Anteil des druckabhängigen Spannungssignals U_p messen kann, der von der Prozessgröße unabhängig ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn er Zustände des Systems kennt oder herbeiführt, in denen die Prozessgröße U_p gleich Null ist. Mit Hilfe der gespeicherten 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.
Auf diese Weise kann der Steuerrechner (4) bei beliebiger Temperatur den Offsetanteil des Ausgangssignals der Messkette bei angelegter Prozessgröße schätzen und vom eingelesenen Signal subtrahieren. Die gemessenen Werte werden aktualisiert, 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.

Claims

Verfahren zur Kompensation der Offsetdrift von Sensoren (1) oder von Messketten aus Sensoren (1) und Verstärkerschaltungen (2), welche in Haushaltgeräten mit einer elektronischen Programmsteuerung verwendet werden, wobei die Sensoren oder Messketten Zustandsgrößen als Eingangsgrößen ermitteln und als Ausgangsgrößen an einen Steuerrechner (4) der elektronischen Programmsteuerung zur Auswertung weitergeben und wobei die Ausgangsgrößen von und mindestens einem Datenspeicher (5) in der elektronischen Programmsteuerung speicherbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass während eines ersten Programmablaufs – eine Erfassung von mehreren Ausgangsgrößen bei verschiedenen Betriebs-Temperaturen, wobei die Erfassung in Betriebszuständen erfolgt, welche die Eingangsgröße Null besitzen, – eine Berechnung einer Offsetgröße aus der jeweiligen Ausgangsgröße und der Eingangsgröße Null, – eine Erfassung der Temperatur während der Erfassung der jeweiligen Ausgangsgröße, – Abspeichern von Offsetgrößen und den dazugehörigen Temperaturwerten in einem nichtflüchtigen Datenspeicher (5), – und daraus Berechnen einer temperaturabhängigen Offsetdrift, erfolgt, und dass während des folgenden Programmablaufs eine Korrektur der in weiteren Programmabläufen erfassten Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von der berechneten Offsetdrift erfolgt, wobei eine kontinuierliche Neuerfassung von Ausgangsgrößen, Berechnung von Offsetgrößen, Erfassung der Temperatur, Abspeicherung und Neuberechnung der Offsetdrift in den weiteren Programmabläufen vorgenommen wird.
Verfahren zur Kompensation der thermischen Offsetdrift von Sensoren (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Betrieb des Geräts eine Einstellung der Offsetdrift auf in einem Datenblatt des Sensors (1) angegebene Werte erfolgt.