Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung einer redundanten
Sensoranordnung zu schaffen, mit der ein Sensorfehler früher erkannt werden
kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 sowie 8 angegebenen Merkmale. Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung
besteht darin, in einer redundanten Sensoranordnung mit einem ersten
und einem zweiten Sensor ein Signal, wie z.B. ein Differenzsignal
oder ein Differenz-Veränderungs-Signal,
das aus den Sensorsignalen der beiden Sensoren gebildet ist, mit
einem variablen Grenzwert zu vergleichen, der ebenfalls eine Funktion
der beiden Sensorsignale ist. Der variable Grenzwert ist i.d.R.
kleiner als ein Maximalwert, wie er im Stand der Technik ermittelt
wird. Somit kann bereits bei einer geringen Sensorverstimmung ein
Sensorfehler erkannt werden.
Das Grenzwert überwachte Signal ist vorzugsweise
ein Differenzsignal, d.h. ein aus der Differenz der beiden Sensorsignale
gebildetes Signal, oder ein Differenz-Veränderungs-Signal,
d.h. ein Signal, welches die zeitliche Veränderung des Differenzsignals
darstellt. Wahlweise können
auch andere aus den Sensorsignalen gebildete Signale zur Grenzwertüberwachung
herangezogen werden.
Im Falle eines Differenzsignals wird
das Differenzsignal mit einem entsprechenden variablen Grenzwert
und im Falle eines Differenz-Veränderungs-Signals
wird das Differenz-Veränderungs-Signal
mit einem entsprechenden anderen variablen Grenzwert verglichen. Überschreitet
das Grenzwert überwachte
Signal den jeweils vorgegebenen Grenzwert, wird ein Sensorfehler
in einem der Sensoren angenommen.
Der variable Grenzwert ist vorzugsweise eine
Funktion eines Mittelwertsignals, das aus den beiden Sensorsignalen
gebildet wird. Das Mittelwertsignal ist z.B. das arithmetische Mittel
der beiden Sensorsignale.
Der variable Grenzwert wird regelmäßig auf der
Grundlage der Sensorsignale neu berechnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird vorzugsweise auch die Sensorüberwachung redundant durchgeführt, wobei
vorzugsweise sowohl eine Differenzüberwachung (Grenzwertüberwachung
des Differenzsignals) als auch eine Dynamiküberwachung (Grenzwertüberwachung des
Differenz-Veränderungs-Signals)
durchgeführt wird.
Dabei ist der Grenzwert wenigstens einer der beiden Signalüberwachungen
variabel und eine Funktion der beiden Sensorsignale, vorzugsweise eine
Funktion eines Mittelwertsignals.
Ein Überwachungssystem zur Überwachung einer
redundanten Sensoranordnung mit einem ersten Sensor und einem zweiten
Sensor, welche die gleiche Messgröße erfassen, umfaßt eine
Einheit zur Erzeugung eines Grenzwert überwachten Signals, das aus
den Sensorsignalen der beiden Sensoren gebildet ist, sowie eine
Einheit zur Überwachung
dieses Signals, die das Signal mit einem Grenzwert vergleicht, der
eine Funktion der beiden Sensorsignale ist. Der variable Grenzwert
wird vorzugsweise regelmäßig in einer
entsprechenden Einheit neu berechnet.
Die Einheit zur Erzeugung des Grenzwert überwachten
Signals ist vorzugsweise eine Einheit zur Differenzbildung, die
ein Differenzsignal aus den beiden Sensorsignalen berechnet. In
diesem Fall ist die Einheit zur Signalüberwachung eine Einheit zur Differenzüberwachung,
die das Differenzsignal mit dem vorgegebenen variablen Grenzwert
vergleicht und überprüft, ob ein
Sensorfehler vorliegt.
Wahlweise kann die Einheit zur Erzeugung des
Grenzwert überwachten
Signals auch eine Einheit zur Erzeugung eines Differenz-Veränderungs-Signals
sein, die aus dem zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen
Differenzsignal ein Differenz-Veränderungs-Signal berechnet.
Die Überwachungseinheit
ist in diesem Fall eine Einheit zur Überwachung des Differenz-Veränderungs-Signals, die
das Signal mit einem entsprechenden variablen Grenzwert vergleicht,
der eine Funktion der beiden Sensorsignale ist. Bei Überschreiten
des Grenzwertes wird wiederum auf einen Sensorfehler erkannt. Eine
Anordnung, welche die Einheit zur Erzeugung des Differenz-Veränderungs-Signals
und die Einheit zur Überwachung
des Differenz-Veränderungs-Signals
umfasst, wird im folgenden als Einheit zur Dynamiküberwachung
bezeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfaßt
das System zur Überwachung der
redundanten Sensoranordnung wenigstens zwei Überwachungseinheiten, die ein
aus den Sensorsignalen abgeleitetes Signal, vorzugsweise das Differenzsignal,
redundant überwachen.
Das aus den Sensorsignalen abgeleitete Differenzsignal wird beispielsweise
mittels einer Einheit zur Differenzüberwachung, sowie mittels einer
Einheit zur Dynamiküberwachung überwacht.
Dabei erkennt die Einheit zur Differenzüberwachung einen Sensorfehler,
wenn das Differenzsignal einen zugehörigen Grenzwert überschreitet,
und die Einheit zur Dynamiküberwachung
einen Sensorfehler, wenn die zeitliche Änderung des Differenzsignals
den vorgegebenen zweiten variablen Grenzwert überschreitet.
Ergibt die Überwachung in einer der Überwachungseinheiten
einen Sensorfehler, so wird auf einen Sensorfehler erkannt. Die
Ausgänge
der Überwachungseinheiten
sind zu diesem Zweck vorzugsweise logisch verknüpft.
Wahlweise kann auch jedes andere
beliebige Signal überwacht
werden, das sich aus den Sensorsignalen der beiden Sensoren ableitet.
In diesem Fall ist jeweils ein entsprechender variabler Grenzwert
zu berechnen, der eine Funktion der beiden Sensorsignale ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand
der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
1 ein
Blockschaltbild eines Sensors mit einer einfachen Überwachungseinheit;
2 ein
Blockschaltbild eines Sensors mit einer redundanten Überwachungseinheit;
3 ein
Blockschaltbild zur Darstellung der Differenzüberwachung;
4 ein
Blockschaltbild zur Darstellung der Dynamiküberwachung;
5 eine
graphische Darstellung von Sensorabweichungen, die mit einer Überwachungseinheit
gemäß dem Stand
der Technik erfaßt
werden können;
6 eine
graphische Darstellung der Sensorabweichungen, die mit einer Überwachungseinheit
gemäß der Erfindung
erfaßt
werden können;
und
7 eine
Darstellung des Grenzwerts eines Differenzsignals in Abhängigkeit
von der Messgröße x.
1 zeigt
eine redundante Sensoranordnung mit einem ersten Sensor 1 und
einem zweiten Sensor 2, sowie eine an den Sensoren 1, 2 angeschlossene Überwachungseinheit 10.
Die wesentlichen Elemente der Überwachungseinheit
sind eine Einheit 5 zur Mittelwertbildung, eine Einheit 6 zur
Differenzbildung sowie eine Einheit 7 zur Differenzüberwachung.
Die Bezugszeichen 3 und 4 bezeichnen Filter zur
Filterung von Störsignalen
aus den Sensorsignalen. Die Überwachungseinheit 10 arbeitet
dabei nach folgendem Grundprinzip:
Die Einheit 6 zur
Differenzbildung erzeugt aus den Sensorsignalen y1, y2 zunächst ein
Differenzsignal Δy.
Das Differenzsignal Δy
wird von der Einheit 7 zur Differenzüberwachung Grenzwert überwacht,
d.h. mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen, um eine Fehlfunktion
der Sensoren 1, 2 feststellen zu können.
Der wesentliche Aspekt der Erfindung
liegt nun darin, dass der maximale Grenzwert für die Abweichung der Sensorsignale
y1, y2 voneinander nicht mit einem konstanten Grenzwert, sondern
mit einem variablen Grenzwert verglichen wird, der eine Funktion
der Sensorsignale ist.
Der Grenzwert wird in diesem Ausführungsbeispiel
auf der Grundlage eines Mittelwertsignals yM berechnet, das von
der Einheit 5 zur Mittelwertbildung aus den beiden Sensorsignalen
y1, y2 erzeugt und der Einheit 7 zur Differenzüberwachung
zugeführt
wird. Der so berechnete Grenzwert ist daher meist kleiner als ein
Maximalwert. Die Sensorüberwachung 10 spricht
somit früher
an.
Der von der Einheit 7 zur
Differenzüberwachung
erkannte Sensorzustand wird als Signalstatus (Status) an eine nachfolgende
Auswerteeinheit ausgegeben.
Die wesentlichen Grundsätze des
hier angewendeten Überwachungsverfahrens
werden im folgenden nochmals mathematisch dargestellt.
Die Sensorkennlinien der Sensoren 1, 2 sind üblicherweise
fehlerbehaftet und weichen somit vom tatsächlichen Wert der zu messenden
Größe x ab. Dabei
gilt: Sensor 1: y1 = x + n1 + x*s1 Sensor 2: y2 = x + n2 + x*s2
Wie zu erkennen ist, haben diese
Sensorsignale y1, y2 einen Nullpunktfehler (Offset) n1, n2 sowie
einen Empfindlichkeitsfehler s1, s2. Die Abweichungen liegen dabei
innerhalb vorgegebener zulässiger
Grenzen. Erst bei Überschreiten
dieser Grenzen, soll ein Sensorfehler erkannt werden. Dabei gilt.
Nullpunktfehler: –N ≤ n1 ≤ +N, –N ≤ n2 ≤ +N Empfindlichkeitsfehler: –S ≤ s1 ≤ +S, –S 5 s2 ≤ +S Für den Messbereich
wird angenommen: –xmax ≤ x ≤ +xmax Die
Einheit 6 zur Differenzbildung berechnet nun ein Differenzsignal Δy nach folgender
Beziehung: Δy
= y2 – y1
= n2 – n1
+ x*s2 – x*s1
Bei maximalen Sensorabweichungen
n1, n2 bzw. s1, s2 hat der Betrag des Differenzsignals Δy folgenden
zulässigen
Wert: |ΔY| ≤ 2*N + 2*S*|x| (1)
Der rechts dieser Ungleichung stehende Wert
kann nicht direkt als Grenzwert für die Überwachung des Differenzsignals Δy benutzt
werden, da der tatsächliche
physikalische Wert der Messgröße x nicht
bekannt ist. Daher muß der
Wert x in geeigneter Weise abgeschätzt werden.
Im Stand der Technik erfolgt dies
nach der Worst-Case-Abschätzung mit: |x| = xmax
Gemäß der Abbildung von 1 wird die Messgröße x dagegen
auf der Grundlage des Mittelwertes yM der Sensorsignale y1, y2 abgeschätzt. Dabei
gilt: yM = 0,5*(y1 + y2) = x + 0,5*(n1 + n2 +
x*s1 + x*s2) und nach x umgestellt: x =
yM – 0,5
* (n1 + n2 + x*s1 + x*s2) Daraus folgt bei maximalen Sensorabweichungen N,S: |x| ≤ |YM|
+ N + |x|*S
Die Auflösung dieser impliziten Ungleichung nach
x führt
zu: |x| ≤ (|YM| + N)/(1 – s) (2)
Setzt man diese Abschätzung (2)
für die Messgröße x in
die vorstehend genannte Grenzbetrachtung (1) des Differenzsignals Δy ein, so
erhält man
für den
Grenzwert Δygrenz folgende Aussage:
|Δy| ≤ 2*N + 2*S * ((|yM| + N )/(1 – S)) = Δygrenz (3)
Wie zu erkennen ist, ist dieser Grenzwert Δygrenz abhängig
vom Mittelwert yM der Sensorsignale y1, y2 und somit variabel.
Wird dagegen ein maximaler konstanter Wert
für die
Messgröße x verwendet,
so ergibt sich für
das Differenzsignal Δy
folgende Grenzbetrachtung: |Δy| ≤ 2*N + 2*S*xmax = Δygrenz = konstant
Die Einheit 7 zur Differenzüberwachung
vergleicht das Differenzsignal Δy
gemäß der Erfindung mit
dem variablen Grenzwert. In günstigen
Differenzsituationen kann ein Sensorfehler sehr schnell, bei nur
geringen Veränderungen
eines Sensorsignals erkannt werden.
Die 5 und 6 zeigen die Fehlererkennbarkeit
von Abweichungen des zweiten Sensors bei einem vorgegebenen Fehler
(n1, s1) des ersten Sensors 1. Dargestellt sind also Paare
(s2, n2), die von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
als fehlerhaft erkannt werden. Dabei zeigt 5 detektierbare Abweichungen des zweiten
Sensors mit fixen Grenzwerten mit einer Abschätzung x = xmax (Stand der Technik)
und 6 eine Darstellung
der detektierbaren Abweichungen für den zweiten Sensor unter
Verwendung eines variablen Grenzwertes, der auf der Grundlage des
Mittelwertsignals berechnet wurde, jeweils für verschiedene Differenzsituationen.
Eine für die Fehlerdetektierbarkeit
ungünstige
Differenzsituation besteht, wenn der Nullpunkts- und Empfindlichkeitsfehler
n1, s1 des ersten Sensors 1 Werte annimmt, bei denen das Fehler-erkennungsverfahren
erst relativ spät,
d.h. bei großer
Abweichung für
n2, s2 anspricht.
Eine ungünstige Differenzsituation besteht z.B.,
wenn sich der Sensor 1 am oberen Rand der Spezifikation
befindet, mit n1 = N, s2 = S und der Sensor 2 den oberen
Rand der Spezifikation überschreitet
(Graph a).
Eine für die Fehlerdedektierbarkeit
günstige Differenzsituation
besteht dagegen, wenn sich der Sensor 1 am unteren Rand
der Spezifikation befindet, mit n1 = –N, s1 = –S und der Sensor 2 den
oberen Rand der Spezifikation überschreitet
(Graph c).
Wie ein Vergleich der 5 und 6 zeigt, kann bei gleichem Empfindlichkeitsfehler
s2 (z.B. 5%) ein Nullpunktfehler n2 wesentlich früher, d.h.
bei kleineren Werten für
n2 erreicht werden.
Der Graph b zeigt eine mittelgünstige Differenzsituation.
Dabei ist auch hier (6)
eine wesentlich frühere
Fehlererkennung gegenüber
dem Stand der Technik (5)
zu erkennen.
Das Verfahren zur Differenzüberwachung mit
variablem Grenzwert wird nochmals anhand von 3 beispielhaft erläutert. Bei einer Wahl der Parameter
A, B mit A = 2*N + 2 *N*S/(1 – S) und B
= 2*S/(1 – S) kann
obige Formel (2) wie folgt geschrieben werden: |Δy| ≤ A + B *|yM| = Δygrenz (4)
3 zeigt
das Verfahren zur Überwachung einer
redundanten Sensoranordnung in Form eines Blockschaltbildes. Darin
wird ein Differenzsignal Δy nach
der Betragsbildung in Block 21 gemäß vorstehender Formel (4) mit
dem Grenzwert Δygrenz verglichen. Der Vergleich erfolgt in
Block 25.
Der Grenzwert Δygrenz wird
in Block 22 auf der Grundlage eines Mittelwertsignals yM
berechnet. Das Mittelwertsignal yM wird in Block 20 zunächst in Betrag
genommen und dann in Block 23 mit dem Parameter B multipliziert
und in Block 24 wird der Parameter A hinzuaddiert. Das
Ergebnis dieser Prozedur ist ein Grenzwert Δygrenz für das Differenzsignal Δy, der in
Block 25 mit dem (betragsmäßigen) Differenzsignal Δy verglichen
wird. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist ein Statussignal StatusDiff
für die
Differenzüberwachung,
das den Zustand der Sensoranordnung 1, 2 anzeigt.
Bei einem Fehler in einem der Sensoren 1, 2 nimmt
das Statussignal StatusDiff beispielsweise den Wert logisch 1 an.
7 zeigt
den Grenzwert Δygrenz bei einer Differenzüberwachung über dem Wertebereich der Messgröße x für verschiedene
Nullpunkt- und Empfindlichkeitsfehler n2 bzw. s2. Wie zu erkennen
ist, sind die Grenzwerte Δygrenz im unteren und mittleren Messbereich
(bis x = 60) kleiner als der maximale, konstante Grenzwert (Kennlinie
d, Δygrenz = 15).
Dabei gilt für die Kennlinie a (sehr fehlerhafte Sensoren):
n2 = 8*N, s2 = 8*S, für
die Kennlinie b (fehlerhafte Sensoren): n2 = 4*N, s2 = 4*S, die
Kennlinie c für
ideale Sensoren 1, 2.
Neben der Differenzüberwachung
kann beispielsweise auch die Dynamik der Sensorsignale y1, y2 überwacht
werden. Eine solche redundante Sensorüberwachung ist in 2 dargestellt.
2 zeigt
eine Sensoranordnung mit einer redundanten Überwachungseinheit, umfassend
einen ersten Sensor 1 und einen zweiten Sensor 2,
deren Signale y1, y2 in einer Einheit 5 zur Mittelwertbildung
und in einer Einheit 6 zur Differenzbildung zu einem Mittelwertsignal
yM bzw. zu einem Differenzsignal Δy
verarbeitet werden. Letztere Signale werden sowohl der Einheit 7 zur
Differenzüberwachung
als auch einer parallel angeordneten Einheit 8 zur Dynamiküberwachung
zugeführt.
Die Einheit 8 zur Dynamiküberwachung
berechnet ein Differenz-Veränderungssignal ΔΔy, das die
zeitliche Veränderung
des Differenzsignals Δy darstellt,
wobei gilt: ΔΔy = Δy(t2) – Δy(t1) = (y2(t2) – y1(t2)) – (y2(t1) – y1(t1)) (5)
Bei der Berechnung des Differenz-Veränderungssignals
sind ferner die zeitlichen Abhängigkeiten
der Nullpunkt- und Empfindlichkeitsfehler n1, n2 bzw. s1, s2 zu
berücksichtigen.
Die Nullpunkt- und Empfindlichkeitsfehler n1, n2 bzw. s1, s2 können in einen
zeitvarianten und einen zeitinvarianten Anteil aufgeteilt werden: n(t) = n0 + n'' (t) mit – N0 ≤ n0 ≤ +N0 , –N'' ≤ n'' (t) ≤ +N'' S(t) = S0 + S'' (t) m1t –S0 ≤ S0 ≤ +S0 , –S'' ≤ S'' (t) ≤ +S''
Für
die Sensorkennlinien gilt somit: y1(t) = x(t)
+ n10 + n1''(t)
+ x*(s10 + s1''(t)) y2(t) = x(t) + n20 +
n2''(t) + x*(s20 + s2'' (t)) In vorstehende
Formel (5) eingesetzt, führt
dies auf: ΔΔy = n2''(t2) – n2''(t1) – n1''(t2) + n1''(t)
+ (x(t2) – x(t1))*(s20 – s10) + x(t2)*(s2''(t2) – s1''(t2)) – x(t1) (s2'' (t1) – s1'' (t1))
Für
den Grenzwert ΔΔygrenz des Differenz-Veränderungssignals gilt somit:
IΔΔy| ≤ 4*N'' + 2*S0*|x(t2) – x(t)|
+ 2*S''*(|x(t2)| + |x (t1)|)
= : a + Δb
+ Δc = ΔΔygrenz
Dabei sind die Parameter a, b, c
Abkürzungen
für die
Summanden der vorstehenden Beziehung. Die Terme Δb und Δc müssen wiederum abgeschätzt werden,
da sie die unbekannten physikalischen Werte x(t1) und x(t2) enthalten.
Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten
I-IV: Δb-I: Δb ≤ 4*S0*xmax (Worst-Case-Abschätzung) Δb-II: Δb ≤ 2*S0*α*|t2-t1| wobei α eine Abschätzung für den maximalen
Gradienten von x ist, mit |dx(t)/dt| ≤ α Δb-III: Δb ≤ 2*S0*(2*N'' + |yM(t2) – yM(tl)|)/(1 – 2*S) Δb-IV: Δb ≤ 2*S0*(2*N'' + |yM(t2)| + |yM(t1)|)/(1 – 2*S)
Die Abschätzung Δb-IV ist aus Δb-III abgeleitet,
mit einer maximalen Abschätzung
des Terms |yM(t2) – yM(t1)|.
Die Grenzwert-Abschätzung von Δb-I liefert einen
konstanten, Worst-Case-Grenzwert. Die Abschätzung Δb-II ist dann zweckmäßig, wenn α bekannt
und die Zeitdifferenz |t2-t1| klein ist. Ist α unbekannt, so kann alternativ Δb-III herangezogen
werden. Die Abschätzung Δb-IV ist
ebenfalls als Alternative zu Δb-II
zu sehen, wenn a unbekannt ist und nur Betragswerte für yM bekannt
sind.
Für
den Parameter Δc
lassen sich beispielsweise folgende Abschätzungen ansetzen: Δc-I: Δc ≤ 4*S''*xmax (Worst-Case-Abschätzung)
Δc-II: Δc ≤ 2*S''*(2*N + |yM(t2)| + |yM(t1)|/(1 – S)
Die Kombination Δb-I und Δc-I führt auf folgenden konstanten
Grenzwert ΔΔygrenz ΔΔygrenz =
4*N'' + 4*S *xmax
Eine Kombination Δb-II und Δc-II liefert dagegen einen variablen
Grenzwert ΔΔygrenz ΔΔygrenz =
4*N'' + 2*S0 + α* |t2 – t1| +
2*S''*(2*N + |yM (t2)|
+ |yM(t1)|)/(1 – s)
Dies kann mit den Parametern C und
D auch als ΔΔygrenz = C + D*(|yM (t 2)| + |yM (t1)|) geschrieben
werden, mit C = 4*N'' +
2*S0*α *|t2 – t1| +
4*S ''*N/(1 – S) D = 2*S''/(1 – S)
Das Verfahren der Dynamiküberwachung
ist nochmals in 4 mittels
eines Blockschaltbildes dargestellt. Der eigentliche Vergleich des
Differenz-Veränderungssignals ΔΔy (bzw. des
Betrags) mit dem Grenzwert ΔΔygrenz erfolgt in einem Block 34, der
als Ergebnis den Funktionszustand der Sensoren 1 und 2 durch
ein Signal StatusDyn anzeigt.
Das Differenz-Veränderungssignal ΔΔy wird aus
dem Differenzsignal Δy
durch eine Δt-Verzögerung (Δt = t2 – t1) in
Block 27 sowie durch eine Differenzbildung (Block 32)
erzeugt. In Block 33 erfolgt schließlich die Betragsbildung des
Differenz-Veränderungssignals ΔΔy.
Der Grenzwert ΔΔygrenz wird
in der Einheit 35 zur Grenzwertbildung ermittelt, wobei
zunächst
das Mittelwertsignal yM in Betrag genommen wird (Block 26)
und mit einem um Δt
verzögerten
Mittelwertsignal yM(t2) summiert wird (Blöcke 28, 29).
Die Summe der Mittelwertsignale yM wird dann in Block 30 mit dem
Parameter D multipliziert und in Block 31 der Parameter
C hinzuaddiert. Das Ergebnis ist der Grenzwert ΔΔygrenz.
Die Δt-Verzögerungen (Block 28 und 27) Puffern
die Eingangssignale und geben sie um Δt = |t2 – t1| zeitversetzt aus.
Der Vergleicher 34 liefert
als Ergebnis ein Statussignal z.B. statusdyn = 1 für |ΔΔy| > ΔΔygrenz und
einen Wert logisch Null für
|ΔΔy| < ΔΔygrenz