用于检测传感器的错误定位的方法与流程

本发明涉及一种用于检测传感器在物理系统中错误定位的方法。物理系统在此可以尤其设计为加热系统，尤其设计为生活用水加热系统，如其用在可居住的车辆中那样。可居住的车辆可以尤其是房车或类似物，例如露营车（机动式房车）、拖挂式房车、旅居车、工地拖车、居住集装箱或售货车。此外，术语“可居住的车辆”应当包括可以提供移动住所的船只和船舶。

背景技术：

1、在当今的、用于可居住的车辆的加热系统中，为了检测：在加热系统中装入的相应的温度传感器是否正常运行（也称为可信度验证、可信度检验或可信度检查），对其传感器信号进行检验：所述传感器信号处于事先被确定为有效的值范围内还是处于位于有效值范围之外的无效值范围内。以此方式例如可以识别出传感器断路或传感器短路。如果传感器信号或其值位于无效值范围内，则相关的传感器被识别为有故障，并且促使进行更换和/或替代于此动用冗余的第二传感器的传感器信号。

2、从de 10 2011 084 784 a1中已知一种用于对传感器信号进行可信度验证的方法，其中第一传感器元件检测第一物理变量并且作为第一传感器信号输出，并且第二传感器元件检测与第一物理变量相关的第二物理变量并且作为第二传感器信号输出。第一传感器元件具有带有上限和/或下限的可靠范围，该可靠范围与由第二传感器元件检测的第二物理变量相关。如果由第二传感器元件检测的第二物理变量的当前值位于第一传感器元件的可靠范围内，则由第一传感器元件检测的第一物理变量的当前值被识别为可信的。

3、从ep 3 390 967 b1中已知一种用于监测两个冗余的传感器的方法，所述传感器设置在化学设施或飞行器中。第一传感器提供第一传感器信号，而另一传感器提供另一传感器信号。从第一传感器信号中产生二阶导数作为第一分析信号。对应地，从另一传感器信号中产生二阶导数作为另一分析信号。然后，通过将所产生的分析信号与针对传感器信号的散布、平稳性和动态特性的预定义的极限度量进行比较，来选择传感器信号的时间范围。在所述时间范围内存在最小数量的数据点，所述数据点通过二阶时间导数来表征，所述二阶时间导数的绝对值超过二阶导数的预设的动态极限值。在所述时间范围上，确定第一传感器与另一传感器的分析信号之间的相关性，并且与允许的相关性范围进行比较。替选地，将差值与允许的差值范围进行比较。根据比较结果来确定两个冗余传感器中是否存在有故障的传感器。

4、然而，在检验传感器信号是否位于有效值范围内时，错误定位的传感器通常无法被识别。错误定位例如可能在强烈震动时或由于材料疲劳而产生，由于这些原因，传感器从其正常位置脱离。例如，如果温度传感器具有从-20°c到80°c的有效值范围，并且所述温度传感器由于错误定位或错误位置测得40°c，尽管所述温度传感器由于加热系统的当前状态必须输出更高的温度，则在仅检验传感器信号是否位于有效值范围内时，错误定位不会被识别出。

5、根据din标准en 60335-2-21，所述标准定义了热水加热器/生活用水加热系统的特殊要求，出于安全原因，即使在温度传感器发生故障或错误定位时，水在流出时，即在取水/放水时的温度也不得超过预设的最大值。因此，在对生活用水加热系统进行认证时，温度传感器通常被有针对性地设置到固定的传感器信号值，并且检验是否通过加热系统中设置的安全开关（也称为保护温度限制器）来防止过热。然而，以此方式无法识别出温度传感器的错误定位。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种用于检测传感器在物理系统中错误定位的方法和装置。所述物理系统尤其是加热系统，优选为生活用水加热系统，其可以用在可居住的车辆中。

2、所述目的通过具有权利要求1的特征的用于检测传感器的错误定位的方法以及通过具有权利要求10的特征的用于数据处理的装置来实现。

3、本发明涉及一种用于检测传感器在物理系统中错误定位的方法。传感器在下文中被称为第一传感器，并且构成为用于提供第一传感器信号，在第一传感器定位在物理系统中的第一位置处时，所述第一传感器信号代表物理系统的第一状态变量。该第一位置是第一传感器在物理系统中的正常的正确位置。

4、物理系统包括第二传感器。第二传感器在物理系统中设置在或可设置在第二位置处。第二位置对应于第二传感器在物理系统中的正常的从而位置。在第二位置处，第二传感器输出第二传感器信号，所述第二传感器信号代表物理系统的第二状态变量。第二传感器所设置的第二位置不同于第一传感器应当设置的第一位置。

5、第二传感器所检测的第二状态变量和第一传感器应当检测的第一状态变量彼此间存在相互作用。尤其，在第一状态变量与第二状态变量之间存在相关性关系。优选地，此外在第一状态变量与第二状态变量之间还存在因果关系。

6、根据本发明的用于检测第一传感器的错误定位的方法包括以下步骤：在第一步骤中，接收由第一传感器输出的随时间的第一传感器信号，并且在第二步骤中，接收由第二传感器输出的随时间的第二传感器信号。第一步骤和第二步骤在此优选同时实施，但也可以以任意顺序依次实施。

7、在随后的步骤中，求取第一传感器信号与第二传感器信号之间随时间的差值。也就是说，形成第一传感器信号的时间变化曲线与第二传感器信号的时间变化曲线之间的差值。在随后的步骤中，由所求取的差值形成相互作用特征变量。相互作用特征变量是第一传感器信号与第二传感器信号（或由传感器信号推测代表的变量）彼此间相互作用的度量。

8、在随后的步骤中，将所求取的相互作用特征变量与预设的相互作用极限值进行比较。预设的相互作用极限值可以存储在用于数据处理的装置的，设置于物理系统中的处理器中。最后，在随后的步骤中，当相互作用特征变量超过预设的相互作用极限值时，检测第一传感器在物理系统中的错误定位。

9、方法的相应的步骤可以由设置在物理系统中的用于数据处理的装置或由其处理器实施，所述装置例如构成为控制和评估单元。也就是说，根据本发明的方法尤其构成为计算机实现的方法，所述方法在用于数据处理的装置的处理器中实现并且可由处理器实施。

10、根据优选的设计方案，对相互作用特征变量在时间上连续地、也就是说是滑动地求取。在该设计方案中，只有当相互作用特征变量在预设的时间区间内（即在预设时间区间的整个时长内）超过预设的相互作用极限值时，才检测第一传感器的错误定位。预设的时间区间可以存储在用于数据处理的装置的处理器中。

11、根据特别优选的设计方案，相互作用特征变量是第一传感器信号与第二传感器信号之间的差值的方差。该方差优选借助于所谓的welford算法（参见例如 https://jonisalonen.com/2013/deriving-welfords-method-for-computing-variance/、https://en.wikipedia.org/wiki/algorithms_for_calculating_variance 和 https://en.wikipedia.org/wiki/algorithms_for_calculating_variance#online_algorithm）来确定。welford算法是一种所谓的“单遍（one-pass）”算法，即可以在唯一的计算步骤中计算方差的算法。也就是说，在使用welford算法时，不需要在第一计算步骤中计算测量值的平均值，然后在第二计算步骤中由测量值及其平均值来确定方差，其中为了第二计算步骤必须中间存储测量值。替代于此，借助welford算法可以有利地在唯一的计算步骤中计算方差，这节省存储空间。此外，welford算法的特征在于高数值稳定性和鲁棒性，并且不易受抵消（catastrophic cancellation（灾难性抵消））影响。当然，也可行的是，以其他方式计算方差，例如借助于数值微分、使用具有两个计算步骤的算法或通过使用物理模型结合状态观测器。

12、在使用根据本发明的方法时可以有利地省去使用两个同类的、冗余构成的第一传感器。为了识别第一传感器的错误定位，与第二传感器的传感器信号进行比较就足够了，第二传感器原本就设置在物理系统中。由此可以节省结构空间、重量和成本。在开头描述的认证方法中可以省去安全开关。

13、使用根据本发明的方法的物理系统优选构成为加热系统。加热系统包括具有流体容器的流体回路。加热装置配属于流体回路。第一传感器构成为第一温度传感器，其可以设置在流体回路的从加热装置通向流体容器的（流动）路径（流体路径）中和/或路径处，尤其在对应的流体管路处。也就是说，第一传感器应当检测从加热装置流向流体容器的流体中的温度。第二传感器构成为第二温度传感器。第二传感器配属于加热装置，或在替选的加热系统中配属于流体容器。如果第一和第二温度传感器应当测量流体的温度，第一和/或第二温度传感器例如可以分别设计为浸入式传感器，其具有作为传感器壳体的浸入套管和传感器探头。在正常安装状态下，相应的传感器探头与流体发生热接触。传感器壳体本身不与流体发生接触。

14、在加热系统构成为用于可居住的车辆的生活用水加热系统时，根据优选的设计方案，第二传感器配属于加热装置。加热装置尤其包括加热单元和热交换器，所述热交换器构成为将由加热单元产生的热量传递给位于流体回路中的流体。第二传感器优选配属于热交换器，尤其安装在所述热交换器中和/或热交换器处。所述流体是生活用水。加热单元优选包括火焰管和燃烧器，所述燃烧器被馈送燃料，如液化气、柴油或汽油。构成为第一温度传感器的第一传感器优选设置在流体回路/水回路的流体出口/热水出口处或至少靠近所述流体出口/热水出口，经由所述流体出口/热水出口，由加热装置加热的水被馈送到流体容器中。

15、根据加热系统的替选的设计方案，加热装置包括一个或多个热式太阳能收集器。在该设计方案中，构成为第一温度传感器的第一传感器同样设置在流体的从加热装置（在此：一个或多个热式太阳能收集器）到流体容器的（流动）路径中。在该设计方案中，流体是太阳能液体（也称为太阳能介质）。流体容器设计为缓冲储存器，在所述缓冲储存器中，由太阳能液体储存的太阳能热量借助于热交换传递到生活用水上，所述生活用水例如可以穿流地暖或用于淋浴和洗涤。

16、本发明的另一方面涉及一种用于数据处理的装置，其包括处理器，尤其微处理器，所述处理器配置为可以实施根据本发明的方法的步骤。用于数据处理的装置（下文中也称为：数据处理装置）例如可以是控制和评估单元，其设置在例如设计为加热系统的物理系统中。