Beschreibung

Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangswertes eines Sensors der

Automatisierungstechnik

[0001] In der Automatisierungtechnik werden vielfach Sensoren eingesetzt, die eine nichtlineare Mess auf nehmer-Charakteristik aufweisen. Dabei hängt das Messsignal des Messaufnehmers nichtlinear von der zu messenden Prozessvariablen, z. B. Druck oder Temperatur etc., ab. Um ein lineares Ausgangssignal des Sensors zu erhalten, z. B. für eine 4-2OmA Stromschleife, ist eine Verarbeitung des Messsignals notwendig. Diese Verarbeitung erfolgt mit Hilfe einer Linearisierungskurve, die normalerweise über mehrere Stützpunkte vorgegeben ist. Da im Betrieb beliebige Punkte der Linearisierungskurve benötigt werden, ist eine entsprechende Approximation notwendig.

[0002] Eine sehr einfache Approximationsmethode ist eine lineare Interpolation. Dabei werden die Stützpunkte über Geradensücke miteinander verbunden. Diese Art der Interpolation ist aber für die Genauigkeitsanf orderungen moderner Sensoren nicht ausreichend, vor allem wenn die Stützpunkte relativ weit auseinander liegen. Bessere Verfahren zur Gewinnung der Linearisierungskurve sind eine Polynom- Approximation oder eine Spline- Approximation.

[0003] Diese Approximationsverfahren erfordern jedoch einen sehr hohen

Rechenaufwand. Rechenkapazitäten bei Sensor der Automatisierungstechnik sind jedoch teilweise sehr beschränkt insbesondere bei Sensoren die über die Kommunikationsverbindung versorgt werden, d. h. so genannte 2-Leiter-Geräte. Die Firma Endress + Hauser stellt eine Vielzahl solcher Sensoren her und vertreibt sie.

[0004] Ein weiterer Nachteil dieser Approximationsverfahren besteht darin, dass die ermittelte Kurve nicht exakt durch die vorgegebenen Stützpunkte geht. Es ist davon auszugehen, dass die Linearisierungskurve an den Stützpunkten exakt ist. Zusätzlich können bei einer Polynom- Approximation so genannte „überschwinger" auftreten, die zu Ungenauigkeiten führen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangswertes eines Sensors der Automatisierungstechnik anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere keinen großen Rechenaufwand benötigt, das an den Stützpunkten exakt ist und das möglichst genau ist.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe durch folgendes im Anspruch 1 angegebene Verfahren:

[0007] Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangswertes eines Sensors der

Automatisierungtechnik, der eine nichtlinearen Kennlinie aufweist, die ein funktionales Verhalten zwischen einer Einganggröße und einer Ausgangsgröße des Sensors beschreibt, wobei die Kennlinie Punktweise über einen Punktesatz SP von Punkten Pl-Pn vorgegeben ist und ein erweiterter Punktesatz SP' der Kennlinie K mit zusätzlichen Hilfspunkte H _j erzeugt wird,

[0008] wobei die Hilfspunkte H _j über jeweils 4 benachbarte Punkte des Punktesatzes SP P i+i, P ₁₊₂ , P ₁₊₃ , P ₁₊₄ nach folgender Rechenvorschrift gewonnen werden:

1. Bestimmung der Steigungen ml, m2, m3 der drei Geradenstücke gl= P ₁₊₁ P ₁₊₂ , g2 = P ₁₊₂ P ₁₊₃ und g3 = P ₁₊₃ P ₁₊₄

2. Berechnung der Steigung m _Pl+2 = (ml-ιm2)/2 einer ersten Hilfsgeraden hl

3. Berechnung der Steigung m _{Pl+3 =} (m2-ttn3)/2 einer zweiten Hilfsgeraden h2

4. Bestimmung des Schnittpunkts S der beiden Hilfsgeraden hl und h2, wobei die zwei Hilfsgeraden hl und h2 jeweils durch die Punkte P ₁₊₂ bzw. P ₁₊₃ gehen

5. übernahme des Schnittpunkts S als Hilfspunkt H _j in den erweiterten Punktesatz SP'

[0009] Um den Wert der Ausgangsgröße aus dem Wert der Eingangsgröße zu ermitteln, wird eine Interpolation mit mindestens zweite Punkten des erweiterten Punktesatzes SP' der Kennlinie K durchgeführt.

[0010] Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0011] Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass Hilfspunkte so konstruiert werden, dass die Steigungsänderung δm _j am Hilfspunkt H _j jeweils gerade ein Viertel der Summe der Steigungsänderungen der Geradenstücke in den zwei benachbarten Punkten P ₁₊₂ , P ₁₊₃ ist, d. h.

[0012] δm _{J =} ιv2 - ml nß - ml +

2 [0013] Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispiels näher erläutert. [0014] Es zeigen:

[0015] Fig. 1 Sensor der Automatisierungstechnik in [0016] schematischer Darstellung;

[0017] Fig. 2 Konstruktion eines Hilfspunktes gemäß dem [0018 ] erfindungsgemäßen Verfahren ;

[0019] Fig. 3 nichtlineare Kennlinie eines Sensors.

[0020] In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Sensors S der Automatisierungstechnik näher dargestellt. Eine Mikroprozessor μP ist zur Messwertverarbeitung über einen Analog- Digital- Wandler A/D und einen Verstärker V mit einem Messaufnehmer MA verbunden, der eine Prozessvariable (z.B. Druck, Durchfluss oder Füllstand) erfasst. Der Mikroprozessor μP ist mit mehreren Speichern verbunden. Der Speicher VM dient als temporärer (flüchtiger) Arbeitsspeicher RAM. Im Speicher PS, einem Programmspeicher, sind Software oder Software-Komponenten gespeichert, die im Mikroprozessor μP ausgeführt werden.

[0021] In einem nichtflüchtigen beschreibbaren Datenspeicher NVM z.B. EEPROM- Speicher werden Parameterwerte (z.B. Kalibrierdaten, etc.) abgespeichert.

[0022] Das im Mikroprozessor μP ablaufende Programm (Firmware) definiert u. a. die anwendungsbezogenen Funktionalitäten des Feldgerätes (Messwertberechnung, Hüllkurvenauswertung, Linearisierung der Messwerte, Diagnoseaufgaben).

[0023] Weiterhin ist der Mikroprozessor μP mit einer Anzeigebedieneinheit A/B (z. b. LCD-Anzeige mit mehreren Drucktasten) verbunden, über die ein Anwender das Feldgerät manuell bedienen und Messwerte, Hüllkurven oder Parameterwerte darstellen lassen kann.

[0024] Eine überwachungseinheit WD (Watchdog), die ebenfalls mit dem Mikroprozessor μP verbunden ist, überwacht die Funktion des Mikroprozessors μP. Kommt es aufgrund eines Systemfehlers zu einer Programmunterbrechung, so veranlasst die überwachungseinheit WD einen Programmneustart.

[0025] über eine Kommunikationsschnittstelle COM ist der Mikroprozessor μP mit einer esternen Schnittstelle FBS verbunden. Diese dient zum Anschluss des Sensors S an eine Kommunikationsverbindung (z. B. 4-20 mA Stromschleife). Alternativ kann es bei der Kommunikationsverbindung auch um ein Feldbussystem z. B. Profibus oder Foundation Fieldbus oder eine HART- Verbindung handeln.

[0026] Versorgt wird der Sensor über ein Versorgungsteil NT, das über die

Kommunikationsverbindung gespeist wird (2-Draht Gerät). Alternativ ist auch eine getrennte Versorgung möglich (4-Draht Gerät).

[0027] In Fig. 2 sind mehrere Punkte P ₁₁ , P ₁₂ , P ₁₃ und P ₁₄ einer nichtlinearen Kennlinie K in einem xy- Achsenkreuz eingezeichnet. Die entsprechenden Geradenstücke zwischen diesen Punkten sind mit gl, g2 und g3 bezeichnet. Im ersten Verfahrensschritt A werden die Steigungen ml, m2, m3 der Geraden gl, gl, g3 bestimmt.

[0028] Anschließend werden im Verfahrensschritt B und C die Steigungen m _Pl+2 =

(ml-ttn2)/2 und m _Pl+3 = (m2-ιm3)/2 zweier Hillsgeraden hl und H2 berechnet. [0029] Im Verfahrensschritt D wird der Schnittpunkt S der beiden Hillsgeraden hl und h2 bestimmt. Die Hillsgeraden gehen hl bzw. h2 gehen durch die Punkte Punkte P ₁₊₂ bzw.

P ₁₊₃ - [0030] Im Verfahrensschritt E wird der Schnittpunkt S als neuer Hilfspunkt H _, in den erweiterten Punktesatz SP' aufgenommen. [0031 ] Die Steigungsänderung Am ₁ der beiden Hilfsgeraden h 1 und h2 im Punkt H _, ist δm _,

1 also gerade ein Viertel der Steigungsänderungen der Geradenstücke in den Punkten P i+2 bzw. P ₁₊₃ . [0032] Dieses Verfahren lässt sich sehr schnell und einfach durch ein entsprechendes

Rechnerprogramm durchführen. Es werden nur lineare Gleichungen verwendet, deshalb benötigt das Rechenprogramm nur wendig Ressourcen des Mikroprozessors μP. [0033] Die nichtlineare Kennlinie K kann durch eine wiederholte Durchführung des

Verfahrens beliebig genau approximiert werden. Hierbei wird der Punktsatz SP jeweils um die neu gewonnen Hilfspunkte H _j erweitert. [0034] Fig. 3 zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene nichtlineare

Kennlinie K. Die zusätzlich gewonnen Punkte sind als kleine Kreise gezeichnet. [0035] Sind die Punkte der nichtlinearen Kennlinie K ausreichend dicht bestimmt, so reicht eine lineare Interpolation zwischen zwei Punkten der Kennlinie aus, um zu einem

Eingangswert den zugehörigen Ausgangswert mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. [0036] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders bei Sensoren, die einen

4-20mA-Messwertausgang besitzen. Die Erfindung ist natürlich nicht auf analoge

Sensoren beschränkt, sondern sie eignet sich genauso gut für Sensoren, die einen

Digitalausgang besitzen bzw. die über einen Feldbussystem Messwerte übertragen. [0037] Das Verfahren ist besonders für Temperatursensoren, Drucksensoren oder

Massedurchflussmesser geeignet. [0038] Bei der Kennlinie K kann es sich um eine Linearisierungskurve handeln. Das

Verfahren ist auch zur Approximation von Kalibrierkurven geeignet, die ebenfalls punktweise vorgegeben sind.