DE2903194A1

DE2903194A1 - Verfahren und vorrichtung zur kompensierung eines sensors

Info

Publication number: DE2903194A1
Application number: DE19792903194
Authority: DE
Inventors: George S Bartley; Stanley N Brunner
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1978-01-30
Filing date: 1979-01-27
Publication date: 1979-10-31
Also published as: IT7919687A0; FR2415828B1; NL7900748A; CA1165888A; US4198677A; JPS54118262A; IT1110799B; AU4376279A; BE873779A; BR7900533A; GB2013434B; GB2013434A; FR2415828A1

Description

DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

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H 2935

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V. St. A.

Verfahren und Vorrichtung zur Kompensierung eines Sensors

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensierung eines Sensors, wobei für die Kompensierung des Sensors ein Digitalrechner oder Computer eingesetzt wird.

Für eine Vielzahl von Einsatzbereichen, wie z. B. die Steuerung von Verfahren und Betriebsanlagen wird eine Vielzahl in

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Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 · Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3813897

großem Maße verschiedener Sensoren eingesetzt. Wenn man die Sensoren für Steuerungszwecke verwendet, ist es besonders wichtig, in vielen Fällen Verstärkungs-, Kompensations-, Drift- und Qualitätsverlustprobleme zu vermeiden, die zu einer mangelnden Verläßlichkeit führen können.

Im Bereich der optischen Sensoren wird die Kombination LED (Licht emittierende Diode)/Phototransistor in großem Maße für verschiedene Anwendungsbereiche verwendet. Ein besonderer Vorteil dieser Kombination liegt in den relativ geringen Kosten. Die Verstärkung und die Kompensierung dieser Kombination verändert sich jedoch von einem LED/Phototransistor zum nächsten LED/Phototransistor, wobei sowohl die LED als auch der Phototransistor mit der Temperatur einer Kurzzeit trifft, wie auch einer Langzeitqualitätsverminderung ausgesetzt sind. Obwohl eine solche Kombination in bestimmten Digitalanwendungsbereichen eingesetzt werden kann, ist die Kombination im allgemeinen für Analoganwendungsbereiche ungeeignet. Manche der oben erwähnten Schwierigkeiten können behoben werden, indem man eine Wechselstromkopplung der LED zum Phototransistor vorsieht. Abweichungen in der Verstärkung bilden jedoch nach wie vor ein Problem. Darüber hinaus führt die Wechselstromgekoppelte Kombination zu relativ hohen Kosten» Eine andere optische Kombination, die manchmal Verwendung findet, umfaßt einen Sensor, eine Bezugsgröße, einen Vergleicher sowie eine gleichförmige Lichtquelle« Eine Photozelle kann in Verbindung mit der gleichförmigen Lichtquelle als Bezugsgröße eingesetzt

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werden, und der Sensor selbst kann einen Phototransistor umfassen. Obwohl Verstärkung, Kompensation sowie die Kurz- und Langzeitdrift herabgesetzt werden, sind derartige Kombinationen kostenaufwendig und dementsprechend für viele Anwendungsbereiche ungeeignet.

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, einen Sensor in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen einzusetzen, obwohl dieser Sensor durch eine Kurzoder Langzeitdrift gekennzeichnet ist. Dabei soll ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, die die Verwendung eines Sensors gestatten, der hinsichtlich seiner Verstärkung und/oder Kompensierung veränderlich ist. Schließlich soll die Verwendung von relativ billigen Sensoren ermöglicht werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Digitalrechner vorgesehen, der einen Mikroprozessor oder einen größeren Rechner in Kombination mit einem Digital-Analog-Umsetzer und einem Vergleicher umfaßt. Der Vergleicher besitzt einen ersten Eingang, der an den Ausgang des Umsetzers angeschlossen ist, während ein zweiter Eingang mit einem Sensor in Verbindung steht, der ein Analogsignal erzeugt. Der Ausgang des Vergleichers ist als Rückkopplung an den Digitalrechner angeschlossen. Während der Eichphase erzeugt der Digitalrechner wiederholt digitale Ausgangswerte, die umgesetzt werden und an den Vergleicher zum Vergleich mit den Momentanwerten des analogen Sensorsignals angelegt werden. Während das analoge Sensorsignal ermittelt

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wird durch die wiederholte Erzeugung anderer Digitalwerte, die anderen Augenblickswerten des analogen Sensorsignals entsprechen, wird mindestens einer der Digitalwerte gespeichert, der für das analoge Sensorsignal charakteristisch ist. Der gespeicherte Digitalwert, der für das Analog-Sensorsignal charakteristisch ist, kann dann direkt verwendet werden, oder zur Berechnung eines Bezugssignals herangezogen werden zum Vergleich mit dem analogen Sensorsignal, um somit in etwa den Sensor für den der Eichung folgenden Betrieb zu kompensieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das analoge Sensorsignal im wesentlichen sinusförmig,und die Digitalwerte, die während der Eichung in dem Digitalrechner gespeichert sind, repräsentieren das Maximum und das Minimum. Die Digitalwerte zum Zwecke der Aufstellung einer Bezugsgröße werden dann entsprechend der folgenden Formel berechnet:

(Maximum - Minimum) sinus D + ^ ^Max^^mum + Minimum)

wobei D gleich dem Winkel des sinusförmigen Signals ist, das dem gespeicherten Digitalwert entspricht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbe^ieles deutlich. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, in

welcher eine bevorzugte Ausführungsform der

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Erfindung Verwendung findet,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines analogen

Äquivalentes für die durch den Rechner gemäß Fig. 1 durchgeführte Berechnung,

Fig. 3A ist eine Wellenform, die das analoge Sensorsignal repräsentiert, das dem Vergleicher der Fig. 1 zugeführt wird,

Fig. 3B ist eine Wellenform, die den Ausgang des Vergleichers gemäß Fig. 1 repräsentiert,

Fig. 4 ist ein Fließbild der Eichphase, die durch den Rechner gemäß Fig. 1 durchgeführt wird und

Fig. 5 ist ein Fließdiagram für die Berechnung und Verwendung von Bezugswerten, die durch den Rechner gemäß Fig. 1 erzeugt wurden.

Wie die Fig. 1 zeigt, wird eine geschlossene Schleife einschließlich eines Digitalrechners IO verwendet, um einen analogen Sensor zu kompensieren. Die Schleife umfaßt einen Digital-Analog-Umsetzer 12 und einen Vergleicher 14 mit einem ersten Eingang A, der an den Analogsensor angeschlossen ist und einen zweiten Eingang B, der an den Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 12 gelegt ist. Der Ausgang des Vergleichers ist als

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digitales oder bimäres Signal (1 oder O) dem Rechner 10 zugeführt.

Während der Sichphase des Betriebes wird das analoge Sensorsignal, das an den Eingang A des Ver^.eichers 14 gelegt wird, durch die Digitalwerte ermittelt, die von dem Rechner 10 erzeugt werden, und an den Umsetzer 12 gelegt» Für jeden Momentanwert des analogen Sensorsignals am Eingang A erzeugt der Rechner wiederholt eine Mehrzahl von Digitalwerten bis der Ausgang des Vergleichers 14 anzeigt, daß derDigitalwert, der umgesetzt und an dem Eingang B gelegt ist, gleich dem analogen Sensorsignal, wie es dem Eingang A zugeführt wird, ist oder diesem entspricht. Der gleiche Vorgang wird für die nachfolgenden momentanen Analog-Sensorsignalwerte wiederholt, die charakteristisch für das analoge Sensorsignal sind, wobei die Werte in dem Rechner 10 während der Eichphase gespeichert werden, um die nachfolgende Verwendung dieser charakteristischen Werte als Sensorbezugsgröße zu gestatten, zur Umsetzung durch den Umsetzer 12 und Anlegung an den Eingang B während des Betriebes, wodurch ein entsprechend kompensierter Analog-Sensor gegeben ist. Es leuchtet ein, daß der Eichschritt oft und häufig wiederholt werden kann, um sicherzustellen, daß der Analog-Sensor immer entsprechend kompensiert ist, umabhängig von einer Kurzzeit-- oder Langzeitdrift.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kanndas analoge Sensorsignal sinusförmig sein, wie dies in Fig. 3A gezeigt ist. In diesem Fall ist es erstrebenswert, während

w φ φ /

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der Eichung die maximalen und minimalen Werte zu speichern, die dann verwendet werden können, um eine Anzahl von Bezugsdigitalwerten zum Vergleich mit dem Analog-Sensorsignal beim Betrieb zu berechnen.

Die Art der Berechnungen, die von dem Rechner 10 durchgeführt werden, sind in analog-äquvalenter Form in dem Diagramm gemäß Fig. 2 dargestellt. Nachdem die Maximal- und Minimal-Werte des analogen Sensorsignals mit Hilfe eines Maximumspitzenwertdetektors 16 und eines Minimumspitzenwertdetektors 18, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, bestimmt worden sind, werden die Ausgänge von den Detektoren 16 und 18 den Summierern 20, 22 und 24 und Synchronschaltungen 26, 28 und 30 zugeführt, um Analog-Werte beim Eingang A zum Vergleicher 14 zu erzeugen, die 0°, 30°, 45 oder 90 des Sinussignals entsprechen, in Abhängigkeit von der Stellung des Wxnkelwählschalters 32. Die Werte am Schalter 32 werden zum Vergleich mit dem Analog-Signal während des Betriebes an den Vergleicher 14 angelegt. Der Ausgang von dem Vergleicher entspricht der Position des Schaltwinkels (X°) oder (180° - X°) am Ausgang des Wechselrichters 34.

Aus den vorangehenden Ausführungen leuchtet ein, daß verschiedene Berechnungsfunktionen, die auf einer schrittweisen Basis durch den Rechner 10 durchgeführt werden, dementsprechend von einer Analog-Computerschaltung ausgeführt werden können, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Es wird jedoch von dem Rechner 10 eine erheblich höhere Flexibilität geboten. Darüber hinaus gestattet die Anwesenheit des Mikroprozessors die

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• · · O

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Kompensierung des Sensors gemäß Fig. 1 mit relativ geringen Kosten durchzuführen, womit ein wesentlicher Teil der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe gelöst ist.

Wenn sich der Winkelwählschalter 32 in der in Fig. 2 gezeigten Position befindet, wird das analoge Sensorsignal mit dem Wert des Sinussignals gemäß Fig. 3A bei 0°, oder (180° - 0°) verglichen. Unter Verwendung des O°-Punktes und des 180°-Punktes als .Bezugswert wird ein logisches Rechteckwellensignal am Ausgang des Vergleichers erzeugt, während des Betriebes, wie die Fig. 3B zeigt, wobei die Übergänge bei den 0°— und 180°-Punkten des analogen Sensorsignals l.iegen.

Wie bereits oben erwähnt wurde, ermittelt man das analoge Sensorsignal während des Eichbetriebes, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Darstellung gemäß Fig. 4 beschrieben werden soll. In dem Fließbild nach Fig. 4 wird angenommen, daß ein Analog-Sensor des Typs, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 28 35 034.7, angemeldet am 10. August 1978, auf den Namen der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung, Verwendung findet, zusammen mit der Steuerung eines Schrittmotors, wie er dort beschrieben ist, worauf an dieser Stelle ausdrücklich Bezug genommen wird. Das sinusförmige Signal, das von dem Sensor erzeugt ist, entsprechend der Wellenform gemäß Fig« 3A, wird durch den Schrittmotor erzeugt.

Wenn man die Eichung (40) einleitet, wird der Schrittmotor des Systems einen Schritt vorbewegt (42), wodurch ein Takt—

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geber gestellt wird (44). In einer Schleife wird dann der momentane Sensorwert gelesen (46). Das Lesen des Sensorwertes wird bewerkstelligt, indem man wiederholt Digitalwerte erzeugt, bis der Vergleicherausgang gemäß der Darstellung in Fig. 1 eine logische 1 erzeugt. Wenn der momentane analoge Sensorwert größer ist als der bislang gespeicherte laufende Maximalwert (48), wird ein neuer Maximalwert auf den laufenden Momentanwert eingestellt. Wenn andererseits der Momentanwert geringer ist als der laufend gespeicherte Minimalwert (52), wird ein neuer Minimalwert entsprechend der laufenden Ablesung (54) eingestellt. Wenn nach dem Einstellen der Maximal- oder Minimal-Werte (50) und (54) der Taktgeber noch nicht ausgezählt hat (56), wird die Schleife wiederholt. Wenn der Taktgeber ausgezählt hat, werden die Maximal- und Minimalwerte, die eingestellt und gespeichert worden sind, verwendet, um die Amplitude des analogen Sensorwertes einzustellen und zu speichern beim Maximum minus dem Minium, dividiert durch zwei (58), und der Rechner geht von dem Eichvorgang aus (60).

Wie die Fig. 5 zeigt, kann der Rechner in den Betrieb eintreten (62), wobei ein entsprechendes Bezugssignal erzeugt wird nach der Gleichung:

(Maximum - Minimum)Sinus D + (Maximum + Minimum) 2 2

wobei D der Bezugspunkt auf der Sinuswelle gemäß Fig. 3A ist, entsprechend dem Winkel, der durch den Schalter 32 in Fig. 2

.. .10

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eingestellt ist. Der Ausgang des Vergleichers 14 ändert seinen Status, wenn immer das Sensorbezugssignal und das Sensorsignal gleich sind (66).

Wie bereits vorher erwähnt wurde, erzeugt der Rechner während des Eichvorganges wiederholt Digitalwerte, bis ein Entsprechen oder Gleichheit erzielt ist zwischen dem Sensorsignal und dem Digitalwert, entsprechend umgesetzt durch den Umsetzer 12, wie dies die Fig. 1 zeigt. Der Rechner kann in verschiedener Weise programmiert werden, um wiederholt die Digitalwerte zu erzeugen. Beispielsweise kann der Digitalwert, der am Ausgang des Rechners erzeugt wird, kontinuierlich ansteigen, bis eine Korrepondenz oder Gleichheit erzielt ist. Gemäß einer Alternative kann die Technik der schrittweisen Näherung eingesetzt werden, um die Suche nach dem entsprechenden Digitalwert abzukürzen. Natürlich kann der Rechner 10 in einer anderen Weise programmiert werden, um den Digitalwerten von dem Rechner zu ermöglichen, das analoge Sensorsignal aufzuspüren.

Der Fairchild F-8 Mikroprozessor ist besonders gut geeignet für die Durchführung der Erfindung. Ss können jedoch Rechner verschiedenen Typs und von unterschiedlicher Größe Einsatz finden.

Der innerhalb der oben erwähnten deutschen Patentanmeldung P 28 35 034.7 beschriebene Sensor umfaßt eine Licht emittierende Diode in Kombination mit einem Phototransistor» Wie bereits oben erwähnt wurde, ist eine derartige Kombination relativ

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kostengünstig herzustellen,und die Verwendung des Gerätes und der Einsatz des Verfahrens gestatten eine preiswerte Durchführung ohne irgendwelche Abstriche in bezug auf Drift und Qualitätsabnahme oder Veränderungen hinsichtlich der Verstärkung und der Kompensation. Es können natürlich auch andere Sensoren eingesetzt werden, und die Erfindung ist nicht auf einen speziellen Sensortyp beschränkt. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht hinsichtlich des Verfahrens und der Vorrichtung auf irgendein besonderes Anwendungsgebiet beschränkt, obwohl sich gezeigt hat, daß die Erfindung außerordentlich nützlich für die Steuerung von Schrittmotoren ist, wie sie in der oben erwähnten Anmeldung beschrieben sind.

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Claims

Ansprüche

.' 1.) Verfahren zur Kompensierung eines Sensors, der ein Analog-^N>—'

Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß man

einen digitalen Ausgangswert von einem Rechner in einen analogen Signalwert umsetzt,

den analogen Signalwert mit dem digitalen Ausgangswert vergleicht,

den digitalen Ausgangswert bei Abwesenheit einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem analogen Signalwert und dem digitalen Ausgangswert verändert,

die vorangehenden Schritte wiederholt bis eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem analogen Signalwert und dem digitalen Ausgangswert vorliegt, worauf man die vorangehenden Schritte für verschiedene momentane Analogsignalwerte wiederholt und

den letzten der digitalen Ausgangswerte, der die vorbestimmte Beziehung in dem Rechner besitzt,, speichert, womit ein ausgewähltes Charakteristikum des Analogsignais repräsentiert wird«
2. Verfahren nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet;, daß man zumindest einen digitalen Ausgangswert von dem gespeicherten digitalen Ausgangswert berechnete

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man nachfolgend das Analogsignal mißt, indem man den berechneten digitalen Ausgangswert umsetzt und mit dem Analogsignal vergleicht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal im wesentlichen sinusförmig ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten digitalen Werte das Maximum und das Minimum des sinusförmigen Signals umfassen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Wert berechnet aus der Formel (Maximum - Minimum) Sinus D + (Maximum + Minimum), wobei D der Winkel des sinusförmigen Signals ist, das dem gespeicherten Digitalwert entspricht.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

einen Digitalrechner (10),

einen Digital-Analogumsetzer (12),

einen Vergleicher (14) mit einem ersten Eingang, der an dem Ausgang des Umsetzers 0.2) angeschlossen ist, einem zweiten

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Eingang, der an den Sensor anschließbar ist, sowie einem
Ausgang, der unter Bildung einer geschlossenen Schleife an
den Rechner (10) angeschlossen ist,

wobei der Digitalrechner (10) wiederholt digitale Ausgangswerte berechnet und die wiederholt berechneten Digitalwerte dem Umsetzer (12) zuführt, und die Berechnung weitergeführt wird, bis mindestens eines der wiederholt berechneten Digitalwerte, entsprechend umgesetzt, einem momentanen Sensorausgang entspricht, wie durch den Ausgang des Vergleichers (14) bestimmt, während der Digitalrechner (10) wiederholt andere
Digitalwarta produziert, die anderen Momentanwerten des Sensorausgangs entsprechen, und mindestens einen der Digitalwerte speichert, die einem ausgewählten Charakterisitkum des
Sensors entsprechen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalrechner (10) mindestens einen Digitalwert von
mindestens einem gespeicherten Digitalwert berechnet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von mindestens einem gespeicherten Digitalwert berechnete Digitalwert mit dem Ausgang des Sensors am Vergleicher (14) verglichen wird, nach der Umsetzung durch den Umsetzer (12).
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gespeicherte Wert mit dem Ausgang des Sensors nach der Umsetzung durch den Umsetzer (12) verglichen wird.

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