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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beseitigen von Abtrift bzw. Drift in
Vektorsensoren. Es wird, um die Bezeichnung festzulegen, davon ausgegangen, dass ein
Vektorsensor eine physikalische Vektorgröße S in einer Eingangsenergie-Domäne DI misst,
indem S in ein Signal in einer Ausgangsenergie-Domäne DO umgewandelt wird.
Insbesondere wird dabei an elektrische oder elektronische Sensoren zum Messen von
Gasstrom oder -druck gedacht. Es wird also davon ausgegangen, dass Sensoren
gleichzeitig einen Zustand A in der Eingangsenergie-Domäne DI und einen Zustand B in der
Ausgangsenergie-Domäne DO besitzen.
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Das neue Verfahren betrifft den tatsächlichen Einsatz von Sensoren beim
Vorhandensein von Fehlern. Fehler sind im Allgemeinen sowohl in dem Sensor selbst, als auch, bei
aktiven Sensoren, bezüglich der Vorspannung der Sensoren und seiner
Ausgangsverstärker vorhanden. Obwohl ideale Sensoren als abstrakte Vorrichtungen keinerlei
Empfindlichkeit gegenüber physikalischen Größen außer S aufweisen, weisen Sensoren in
der Wirklichkeit Fehler aufgrund technologischer Beschränkungen auf, und weisen
daher finite Empfindlichkeit für andere Größen als S auf. Fehler bei der Messung von S
aufgrund finiter Empfindlichkeit gegenüber Größen außer S manifestieren sich in der
Form von Abweichung (offset) mit nicht vorhersagbarem Verhalten. Die dadurch
entstehende Drift in der Abweichung bleibt additiv als Drift in dem Ausgangssignal bestehen,
wenn das Eingangssignal S konstant gehalten wird. Normalerweise überwiegt die
entstehende Abweichung dem Rauschen, d.h. S/Abweichung < < S/Rauschen, so dass die
Abweichung die unterste Grenze bildet, bei der S zuverlässig gemessen werden kann.
Das heißt, die Abweichung, und nicht das Rauschen, bestimmt normalerweise den
dynamischen Bereich des betreffenden Sensors. Es ist anzumerken, dass die
Empfindlichkeit eines Sensors gegenüber seiner Messgröße S den dynamischen Bereich des
Sensors nicht beeinflusst. Aus diesem Grund wird nur die erwähnte Abdrift bezüglich
Abweichung, d.h. additive Drift, betrachtet.
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Momentan besteht das Herangehen an die Beseitigung von Abdrift in dem
kontinuierlichen Versuch, die Herstellungsverfahren immer genauer zu machen. Das heißt,
moderne Herstellungsprozesse schließen speziellen Korrekturverfahren, wie beispielsweise
Laser-Trimmen ein, mit denen Fehler, die auf den grundlegenden Herstellungsprozess
zurückzuführen sind, erheblich verringert werden. Bei einem derartigen Vorgehen wird
die abschließende Leistung des Sensors durch die Qualität des gesamten
Produktionsprozesses bestimmt. Bei unserem neuen Verfahren, das im Folgenden vorgeschlagen
wird, sind technologische Beschränkungen zweitrangig.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das neue Verfahren wird zur Beseitigung von Drift vorgeschlagen. Das Verfahren betrifft
Sensoren mit direktionaler Empfindlichkeit, d.h. anisotroper Empfindlichkeit in zwei oder
mehr Richtungen. Sensoren dieses Typs sind auch als Vektorsensoren bekannt.
Sensoren mit dieser Eigenschaft weisen eine Ausrichtung in Bezug darauf auf, welches S
gemessen wird.
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Ein Beispiel für einen Vektorsensor ist der Strömungssensor von A. F. P. von Putten
(US-Patent 4,548,077 sowie 3,996,799), bei dem die Gasströmungsgeschwindigkeit
einen Temperaturgradienten (eine Vektorgröße) in einem integrierten Siliziumchip
induziert. Dieser Silizium-Strömungssensor wird elektrisch beheizt und bewirkt
Temperaturgradienten beim Vorhandensein von Gasstrom. Eine integrierte Wheatstone-Brücke liest
den durch diesen Strom induzierten Temperaturgradienten ab.
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Bei dem neuen Verfahren wird Drift beseitigt, indem die Differenz von zwei Messungen
bestimmt wird, die mit dem gleichen Sensor nacheinander mit unterschiedlichen
Sensorzuständen A in der Eingangsenergie-Domäne D, ausgeführt werden. Beim
Vorhandensein einer direktionalen Empfindlichkeit können die zwei verschiedenen
Sensorzustände A durch zwei unterschiedliche relative Ausrichtungen zwischen Sensor und
Medium erzeugt werden. Bei dem neuen Verfahren werden die erwähnten zwei
aufeinander folgenden Messungen, aus denen die driftfreie Messung bestimmt wird, mit
aufeinander folgend verschiedenen relativen Ausrichtungen des Sensors in Bezug auf das
Medium ausgeführt, wobei die relativen Ausrichtungen genau die sind, die
unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber der physikalischen Größe S aufweisen. Bei dem neuen
Verfahren, das als das Wechselrichtungsverfahren (Alternating Direction Method -
ADM) bezeichnet wird, werden die driftfreien Messungen aus der Differenz zwischen
aufeinander folgenden Messergebnissen durch den Sensor beim Messen mit
wechselnden relativen Ausrichtungen zwischen Sensor und Medium bestimmt. Das so bestimmte
Ausgangssignal wird als das ADM-Signal bezeichnet. Es wird davon ausgegangen, dass
ein Sensor, der zwischen S und anderen Größen als S unterscheidet, die die Messung
von S&sub1; stören können, und zwar in dem Sinne, dass der Sensor die erwähnte
direktionale Empfindlichkeit S gegenüber aufweist, während seine Empfindlichkeit unabhängig
von der Richtung zu anderen Größen als S, die die Messung von S stören können, ist,
ein ADM-Signal erzeugt, das keine Drift enthält.
DER EINSATZ VON ADM BEI DER GASVOLUMENMESSUNG
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Die Leistung von ADM kann anhand der Gasvolumenmessung unter Verwendung des
Strömungssensors veranschaulicht werden, wie er in den erwähnten US-Patenten
beschrieben ist. Als eine abstrakte Vorrichtung ist dieser Sensor in dem Sinne
bidirektional, dass das Vorzeichen des elektrischen Ausgangssignals aufgrund der
Strömungsgeschwindigkeit S sich mit der Drehung des Sensors um 90º oder 180º (wie in den
erwähnten US-Patenten 4,548,077 sowie 3,996,799 sowie in der US-Patentanmeldung
127424 von M. H. P. M von Putten beschrieben) in Bezug auf die Strömungsrichtung
ändert. Beim Herstellungsverfahren dieser Sensoren treten Asymmtrien in der
Größenordnung von wenigen Prozent auf. Eine realistische Messung stellt daher nicht nur den
Temperaturgradienten über den Sensor dar, d.h. das bidirektionale Signal, sondern
enthält auch eine Komponente, die eine Funktion der Gesamtdissipation (total dissipation)
ist. Drift in der Abweichung als Funktion von Temperatur, Feuchtigkeit, Alter usw.
bewirkt eine Verschlechterung des Messsignals in der Praxis hauptsächlich über eine
Änderung der Gesamtdissipation und ist daher unabhängig von der relativen Ausrichtung
zwischen Sensor und Strömungsmedium (ein Gleichtaktsignal in dem
Strömungsmedium). Der bidirektionale Strömungssensor bietet daher die einmalige Möglichkeit, Drift in
der Abweichung durch den Einsatz von ADM zu beseitigen. Dies kann bei
Gasvolumenmessung wie folgt noch genauer ausgeführt werden.
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Bei Gasvolumenmessung mit ADM wird das elektrische Ausgangssignal des Sensors V,
das durch die Strömungsgeschwindigkeit S induziert wird, über aufeinander folgende
Zeitintervalle 0 < t&sub1; < t&sub2; < ·< tk < tk+, < ... integriert, wobei tk+1·tk = Δf und wobei die
Größe qk als das gemessene Volumen über das Zeitintervall tk - tk+1 eingesetzt wird und
die Strömung über den Sensor mit abwechselnder relativer Ausrichtung von 180º (90º)
erfolgt, so dass sich ergibt:
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qk: = Vdt = (-1)k VStrom dt + VDrift dt (1)
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Hier wird das Ausgangssignal als aus dem reinen VStrom und der unerwünschten Abdrift
VDrift bestehend beschrieben. Das ADM-Volumen Q ist gegeben durch:
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Q : = Σk(-1)k[qk - qk-1] = VStrom dt +En1Δt (2)
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wobei der ADM-Rest gegeben ist durch:
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En1Δt: = Σk(-1)k VDrift dt (3)
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Der ADM-Rest hat folgende Eigenschaft:
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En1Δt ~ VDrift dt - VDrift dt (4)
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In den Grenzen von Δt -> 0, wobei tn = konst., beseitigt ADM daher unerwünschte
Beiträge aufgrund von Drift in der Abweichung bei der Gasvolumenmessung bis auf einen
Rest in der Größenordnung von 2ΔtVDrift. Es ist anzumerken, dass der ADM-Rest
unabhängig von der Gesamtzeit der Integration ist und nur von der Intervallzeit Δt jeder
Messung mit einer der abwechselnden Richtungen abhängt.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ZEICHNUNGEN
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Die Umsetzung von ADM bei der Gasstrommessung wird anhand der folgenden zwei
Ausführungen dargestellt.
Erste mögliche Umsetzung
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Fig. 1 zeigt eine Umsetzung eines Gasvolumenmessers, wobei die zwei verschiedenen
relativen Ausrichtungen zwischen Sensor S und dem Medium hergestellt werden, indem
die Strömungsrichtung des Mediums nacheinander verändert wird, wenn es durch einen
Messabschnitt M mit einem stationären Sensorhalter H hindurch tritt. Zu diesem Zweck
wird eine Gasstrom-Umschalteinheit eingesetzt, die die Richtung des Gasstroms unter
Verwendung von zwei Strömungsschaltern SL und SR verändert. Die
Strömungsschalter SL und SR werden über die Steuereingänge CL bzw. CR betätigt. Strom entgegen
dem Uhrzeigersinn (im Uhrzeigersinn) wird hergestellt, indem L1 (L2) und R1 (R2) für
Gasstrom geöffnet werden, der über HL eintritt bzw. über HR austritt, wobei sich L1 (L2)
und R2 (R1) in geschlossener Position befinden. Gasstrom entgegen dem Uhrzeigersinn
wird über die T-Elemente TL und TR hergestellt, die den Messabschnitt M mit den
Schaltern SL bzw. SR verbinden. Gasstrom im Uhrzeigersinn wird über die zwei
Verbindungen BL und BR, Verbindungen zwischen den T-Elementen TL und TR, hergestellt,
die mit dem Messabschnitt M und den Schaltern SR bzw. SL verbunden sind.
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Abwechselnder Betrieb dieser Strömungs-Umschalteinrichtung im Uhrzeigersinn und
entgegen dem Uhrzeigersinn bewirkt zwei relative Ausrichtungen zwischen Sensor und
Strömungsmedium, die sich um 180º unterscheiden.
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ADM kann bei dem Sensor, wie er in den erwähnten US-Patenten beschrieben ist, mit
180º-Bidirektional-Empfindlichkeit eingesetzt werden, indem die Differenz zwischen
jeweils zwei aufeinanderfolgenden Messungen mit unterschiedlichen relativen
Ausrichtungen zwischen Sensor und Medium bestimmt wird, die durch abwechselnde
Strömungsrichtungen im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn bewirkt werden.
Zweite mögliche Umsetzung
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Fig. 2 zeigt eine Umsetzung eines Gasstrommessers, bei dem die zwei verschiedenen
relativen Ausrichtungen zwischen Sensor und strömendem Medium erzeugt werden,
indem der Sensor abwechselnd in zwei verschiedene Positionen in einem
Messabschnitt M bei unveränderlicher Strömungsrichtung (von links nach rechts in Fig. 2)
gebracht
wird. Zu diesem Zweck wird eine Dreheinheit D eingesetzt, in der der
Sensorhalter H, wie in Fig. 1, nunmehr seine Position abwechselnd um 180º von Position 1 (2) zu
Position 2 (1) ändert. Die Dreheinheit D wird über Steuereingang CD betätigt. Bei der
erwähnten Installation des Sensors kann ADM nunmehr eingesetzt werden, indem die
Differenz zwischen Messungen bestimmt wird, bei denen die Positionen zwischen 1 und
2 abwechseln, wie dies in der Teilfigur im "Kasten" angedeutet ist.
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Versuche haben ergeben, dass mit ADM die erwähnten Strömungssensoren einen
dynamischen Bereich von bis zu drei Dekaden der Strömungsgeschwindigkeit von 1 cms&supmin;¹
bis 10 ms&supmin;¹ beim Vorhandensein einer Wiederholbarkeit von mehr als 1% erreichen. Mit
diesem neuen Betriebsverfahren sind Messungen möglich, die über jene hinaus gehen,
die mit gegenwärtigen Verfahren erreichbar sind (außer
Laser-Doppler-Strömungsmessverfahren).
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN
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Wie unter ausführlicherer Bezugnahme auf die Zeichnungen zu sehen ist, ist die
vorliegende Erfindung zur veranschaulichenden Zwecken in jeder der zwei Vorrichtungen
ausgeführt, die allgemein in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Es liegt auf der Hand, dass die
Ausführung der Erfindung bezüglich des speziellen Sensors und bezüglich der
Einzelheiten der Teile variieren kann, ohne von den grundlegenden Ideen abzuweichen, wie
sie hier offenbart werden.
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Der Strömungsschalter SL (SR) ist, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 zu sehen ist, ein
Standard-Druckluftschalter, wie er in der Industrie für die Druckluftsteuerung eingesetzt
wird. Der Schalter SL (SR) besitzt drei Öffnungsrohre für den Gasstrom, wobei mit zwei
Positionen SL (SR) entweder die Rohröffnung HL (HR) mit Rohröffnung L1 (R1) oder HL
(HR) mit Rohröffnung L2 (R2) verbindet. Der Schalter wird über Steuereingang CL (CR)
entweder pneumatisch oder elektrisch betätigt, wobei dies von dem eingesetzten
Schalter abhängt. Die Rohröffnungen L1 und R1 sind jeweils mit einem T-Rohr-Element TL
bzw. TR verbunden. Die Rohröffnungen L2 und R2 sind jeweils mit Rohren BL bzw. BR
verbunden, die ihrerseits mit den erwähnten T-Elementen TR bzw. TL verbunden sind.
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Die drei Rohröffnungen in jedem der Schalter SL und SR, die Rohre BL und BR, und die
T-Elemente TL und TR haben sämtlich Innendurchmesser, die vorzugsweise, jedoch
nicht notwendigerweise, so groß sind, dass Strömungsdurchgang mit einem geringen
Grad an Reibung (bei der erwarteten Strömungsgeschwindigkeit) gewährleistet ist, und
damit ein geringer Betrag des Druckgefälles über die Vorrichtung gemessen über den
Eingang HL an dem Eingangsrohr von Schalter SL und den Ausgang HR an dem
Ausgangsrohr von Schalter SR. Die Rohre BL, BR sowie die T-Elemente TL, TL bestehen
aus einem haltbaren Material, das entweder flexibel oder starr ist, so beispielsweise
Kunststoff oder Metall. Der Messabschnitt M besteht aus einem Rohr mit einem
Innendurchmesser, der groß genug ist, um ungehinderten Strom über den Halter H mit
Sensor S zu ermöglichen. Bei dem Sensor S kann es sich um den
Silizium-Strömungssensor handeln, wie er im US-Patent 4,548,077 beschrieben ist, oder um jeden beliebigen
anderen Sensor, der um 180º veränderliche direktionale Empfindlichkeit ermöglicht. Der
Sensor ist an einem Halter H angebracht, der aus wärmeisolierendem Material besteht,
wobei elektrische Anschlüsse daran zur Verbindung zwischen dem Sensor und der
Außenumgebung vorhanden sind.
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Der Messabschnitt besteht, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 zu sehen ist, aus einem
Rohr mit einem Innendurchmesser, der groß genug ist, um ungehinderten
Strömungsdurchsatz (bei der erwarteten Strömungsgeschwindigkeit) bei vorzugsweise geringem
Betrag des Druckgefälles über den Eingang an der linken Seite und den Ausgang an der
rechten Seite zu ermöglichen. Der Messabschnitt M enthält die Schalteinheit D, um den
Halter H mit Sensor S. wie in Fig. 1 beschrieben, abwechselnd in zwei Positionen 1 und
2 zu drehen. Die Schalteinheit wird über Steuereingang CD betätigt, der den Halter H in
eine der zwei Positionen 1 und 2 bewegt. Vorzugsweise handelt es sich bei der
Schalteinheit D um eine elektromechanische Vorrichtung, die einen Elektromotor zum
Antreiben des Halters H mit elektrischer Steuerung CD enthält. Als Alternative dazu könnte die
Schalteinheit D als rein mechanische Vorrichtung mit mechanischer oder pneumatischer
Steuerung CD aufgebaut sein. Die Schalteinheit ermöglicht es, wie in Fig. 2 angedeutet,
dem Halter H, sich um 180º zu drehen, wobei elektrische Verbindung zwischen dem
sich drehenden Halter H und der Außenumgebung gewährleistet ist. Der Halter H
schließt, wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung, die elektrischen Verbindungen
zu dem Sensor S ein. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem sich drehenden
Halter H und der Außenumgebung werden durch den Einsatz von flexiblem Kabel ermöglicht.
Bei Einsatzzwecken, bei denen häufig zwischen den abwechselnden
Richtungen umgeschaltet werden muss, könnten aus ähnlichen Gründen wie denen, die
quantitativ am Ende der obenstehenden Erläuterung von ADM beim Einsatz bei der
Gasvolumenmessung aufgeführt sind, alternative Einrichtungen zur elektrischen Verbindung
zwischen dem sich drehenden Halter H und der Außenumgebung eingesetzt werden.
Insbesondere könnten die Verfahren, die für die elektrische Verbindung zwischen sich
drehenden zylindrischen Köpfen in Magnet-Videorekordervorrichtungen eingesetzt
werden, als eine Alternative zum Einsatz eines flexiblen Kabels verwendet werden, um die
elektrische Verbindung zwischen dem Halter H und der Außenumgebung herzustellen.
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Bei jeder der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungen wirkt vorzugsweise der
Messabschnitt M als Abschirmung gegenüber Einflüssen von außen. Bei der Ausführung in
Fig. 2 ist es besonders wichtig, dass Abschnitt M als eine Abschirmung wirkt, da beim
Wechsel zwischen den Positionen 1 und 2, wie anhand von ADM beschrieben, äußere
Einflüsse, gegenüber denen der Sensor S empfindlich ist, zu dem ADM-Signal beitragen
können, wenn die äußeren Einflüsse in jeder der zwei Positionen 1 und 2 mit
unterschiedlicher Intensität wirken. So besteht bei der Ausführung in Fig. 2 der Abschnitt M
vorzugsweise aus lichtundurchlässigem Material, um Einflüsse von äußerem Licht zu
vermeiden, wenn der Sensor S lichtempfindlich sein sollte, was für Halbleitersensoren
typisch ist.
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Obwohl der Kontext für die obenstehende Beschreibung die Strömungsmessung ist,
sollte diese Darstellung nicht als die Einsetzbarkeit von ADM einschränkend verstanden
werden, sondern lediglich als veranschaulichend für den tatsächlichen Einsatz von
ADM. Daher sollte der Schutzumfang von ADM durch die beigefügten Ansprüche und
ihre rechtlichen Äquivalente bestimmt werden.