DE19858940C2 - Verfahren zum Erzeugen eines dem Effektivwert eines elektrischen Signals proportionalen Meßsignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines dem Effektivwert eines elektri­ schen Signals proportionalen Meßsignals.

Aus der deutschen Patentschrift 196 13 736 ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem zum Erzeugen eines dem Effektivwert eines elektrischen Signals proportionalen Meßsignals das elektri­ sche Signal unter Bildung von Digitalwerten abgetastet wird. Die Digitalwerte werden quadriert und in einem alle Frequen­ zen größer als 0 unterdrückenden FIR-Filter gefiltert. Durch Radizieren der gefilterten Digitalwerte wird dann das Meßsi­ gnal erzeugt. Das vorbekannte Verfahren macht sich dabei zu­ nutze, daß beim Quadrieren der Digitalwerte im Frequenzspek­ trum eine Spektralkomponente erzeugt, wird, die bei 0 Hz liegt und deren Betrag ein Maß für den Effektivwert des elek­ trischen Signals ist zum Bestimmen des Effektivwertes muß daher nur diese Spektralkomponente bei 0 Hz ausgewertet wer­ den, so daß die übrigen Frequenzkomponenten mit dem FIR-Fil­ ter weggefiltert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren anzu­ geben, mit dem sich insbesondere bei frequenzmäßig sehr breitbandigen elektrischen Signalen zuverlässig der Effek­ tivwert bestimmen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen eines dem Effektivwert eines elektrischen Signals proportionalen Meßsignals gelöst, bei dem das elektrische Signal mittels einer Abtast-Halteschaltung bei einer vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und in einem Analog- Digital-Wandler in Digitalwerte umgewandelt wird, aus den Digitalwerten in einer Quadrierstufe quadrierte Digitalwerte gebildet werden, die anschließend in einem als Tiefpass ausgebildeten, digitalen Tiefpass-Filter unter Bildung gefilterter Digitalwerte gefiltert werden, die gefilterten Di­ gitalwerte in einem als Hochpass ausgebildeten, digitalen Hochpass-Filter unter Bildung von Kontrollwerten gefiltert werden und mit den gefilterten Digitalwerten das Meßsignal unter Einsatz einer Radizierstufe erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Kontrollwerten ein vorgegebenes Vielfaches der jeweils zugeordneten gefilterten Digitalwerte unterschreitet.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht in seiner besonders großen Zuverlässigkeit, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nämlich das Meßsignal nur dann erzeugt wird, wenn es voraussichtlich ausreichend genau ist. Dies ist konkret dann der Fall, wenn eine vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Kontrollwerten ein vorgegebenes Viel­ faches der jeweils zugeordneten gefilterten Digitalwerte un­ terschreitet, d. h. also dann, wenn der durch die Kontroll­ werte repräsentierte Oberschwingungsanteil in den gefilterten Digitalwerten einen vorgegebenen Schwellenwert unterschrei­ tet; denn - wie bereits erläutert - muß zur Bestimmung des Effektivwertes ausschließlich die Spektralkomponente bei 0 Hz ausgewertet werden.

Besonders schnell und dennoch sehr zuverlässig kann der Ef­ fektivwert ermittelt werden, wenn die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Kontrollwerten der Anzahl der Filter­ koeffizienten des Hochpass-Filters entspricht und/oder das vorgegebene Vielfache 5% beträgt.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die quadrierten Digitalwerte vor dem Einspeisen in das Tiefpass-Filter mindestens einmal in einem als Tiefpass ausgebildeten, digitalen Tiefpass-Vorfilter un­ ter Bildung vorgefilterter Digitalwerte vorgefiltert und an­ schließend einer Abtastratenreduktion unterzogen werden.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Verfahren aufgrund des Vorfilterns und der Abtastratenreduktion sehr schnell ist, weil in dem Tiefpass-Filter nur ein relativ schmalbandi­ ges Signal mit geringer Abtastrate verarbeitet werden muß; denn je schmalbandiger das in der Recheneinheit zu filternde Signal ist und je geringer die Abtastrate ist, desto weniger Filterkoeffizienten muß das Tiefpass-Filter aufweisen. Dieser Sachverhalt soll anhand eines Zahlenbeispiels näher erläutert werden: Die Antriebsströme für Triebwagen bei Magnet­ schwebebahnen ("Transrapid") weisen als elektrisches Signal ein Frequenzspektrum von ca. 2 Hz bis 300 Hz auf. Das Abta­ sten dieses elektrischen Signals wird beispielsweise mit ei­ ner Abtastfrequenz von 3200 Hz durchgeführt. Sollen die bei der Abtastung erzeugten Digitalwerte nach dem Quadrieren zum Bestimmen des Effektivwertes in nur einer einzigen Tiefpass- Filterstufe gefiltert werden, so muß dieses Tiefpass-Filter eine Sperrfrequenz von ca. 2 Hz aufweisen, was ungefähr der niedrigsten Frequenz des Frequenzspektrums des elektrischen Signals entspricht; ein solches Tiefpass-Filter muß bei einer Abtastrate von 3200 Hz zwangsläufig eine Mindestkoeffizien­ tenzahl von 1600 Koeffizienten aufweisen. In der Praxis muß für genügend genaue Meßergebnisse sogar die doppelte Anzahl, also 3200 Koeffizienten, vorgesehen sein. Werden dagegen die quadrierten Digitalwerte zunächst vorgefiltert und in ihrer Abtastrate nach jeder Filterung jeweils reduziert, so läßt sich der Effektivwert bei vergleichbarer Genauigkeit wie bei dem vorbekannten Verfahren bei i. a. nur sechsmaliger Vorfil­ terung bereits mit einem Tiefpass-Filter mit nur 15 Filterkoeffizienten ermitteln; dabei kann als Tiefpass- Vorfilter ebenfalls jeweils ein FIR-Filter mit 15 Koeffizienten verwendet werden. Diese Einsparung bei der An­ zahl der Filterkoeffizienten führt zu einer drastischen Erhö­ hung der Geschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der Geschwindigkeit bei dem vorbekannten einstufi­ gen Verfahren; die Geschwindigkeitserhöhung beträgt in bezug auf das Zahlenbeispiel den Faktor 30.

Besonders schnell läßt sich der Effektivwert bestimmen, wenn die vorgefilterten Digitalwerte in einem als Hochpass ausge­ bildeten digitalen Hochpass-Vorfilter unter Bildung von Vor­ filter-Kontrollwerten gefiltert werden und mit den vorgefil­ terten Digitalwerten als gefilterten Digitalwerten das Meß­ signal unter Heranziehung der Radizierstufe erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Vor­ filter-Kontrollwerten ein vorgegebenes Vielfaches der jeweils zugeordneten vorgefilterten Digitalwerte unterschreitet; bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also bereits mit den vorgefilterten Digitalwerten anstatt mit den gefilterten Digitalwerten das Meßsignal erzeugt, wodurch ein besonders schnelles Bilden des Meßsignals ermöglicht wird. Dies wird aber nur dann durchgeführt, wenn die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kon­ trollwerten das vorgegebene Vielfache der jeweils zugeord­ neten vorgefilterten Digitalwerte unterschreitet, also genau dann, wenn der Anteil an Oberschwingungen in den vorge­ filterten Digitalwerten bereits ausreichend klein ist.

Besonders einfach läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der letztgenannten Ausgestaltung durchführen, wenn die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kon­ trollwerten der Anzahl der Filterkoeffizienten des Hochpass- Filters entspricht.

Besonders schnell und damit vorteilhaft läßt sich das erfin­ dungsgemäße Verfahren durchführen, wenn als Tiefpass-Vorfil­ ter ein Tiefpass verwendet wird, dessen Sperrfrequenz jeweils der halben Abtastfrequenz der in das Tiefpass-Vorfilter ein­ gespeisten Digitalwerte entspricht, und die Abtastfrequenz der vorgefilterten Digitalwerte um den Faktor 2 reduziert wird, indem ausschließlich jeder zweite Digitalwert weiter verwendet wird. Unter der Sperrfrequenz wird dabei die Fre­ quenz des Filters verstanden, ab der das Filter sperrt also eine besonders hohe Sperrdämpfung aufweist.

Um bei Tiefpass-Vorfiltern mit einer solchen Sperrfrequenz eine besonders hohe Sperrdämpfung zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn als Tiefpass-Vorfilter ein Tief­ pass verwendet wird, dessen Grenzfrequenz einer zwischen ei­ nem Viertel und der Hälfte der Abtastfrequenz der in das Tiefpass-Vorfilter eingespeisten Digitalwerte liegenden Fre­ quenz entspricht. Unter der Sperrfrequenz wird dabei - wie bereits erläutert - die Frequenz verstanden, bei der das Fil­ ter sperrt; unter der Grenzfrequenz wird die übliche 3 dB- Grenzfrequenz verstanden, also diejenige Frequenz, bei der ein in das Filter eingespeistes Signal um 3 dB gedämpft wird. Der Vorteil dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens besteht darin, daß das Vorfilter eine besonders große Sperrwirkung aufweist, weil die Grenzfrequenz des Filters et­ was kleiner gewählt ist als die Sperrfrequenz.

Als Hochpass-Filter, Hochpass-Vorfilter, Tiefpass-Filter und Tiefpass-Vorfilter können beispielsweise FIR-Filter verwendet werden, wobei das bzw. die Tiefpass-Vorfilter und das Tiefpass-"Hauptfilter" bzw. das Hochpass-Filter und das bzw. die Hochpass-Vorfilter identisch sein können; FIR-Filter las­ sen sich bekanntlich einfach realisieren und zeichnen sich durch eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Kontrolleinrichtung für die Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Recheneinheit für die Kontrolleinrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Tiefpass-Filter und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Hochpass-Filter.

Die Fig. 1 zeigt eine Abtast-Halteschaltung 5, der an ihrem Ausgang A5 ein Analog-Digital-Wandler 10 mit einem Eingang E10 nachgeschaltet ist. Der Analog-Digital-Wandler 10 ist an seinem Ausgang A10 mit einem Eingang E15 einer Quadrierstufe 15 verbunden. Ein Ausgang A15 der Quadrierstufe 15 ist an ei­ nen Eingang E20 eines ersten Tiefpass-Vorfilters 20 ange­ schlossen, dem an seinem Ausgang A20 ein Eingang E25 eines ersten Hochpass-Vorfilters 25, ein Eingang E30 einer Ab­ tastratenreduktionseinheit 30 sowie ein erster Eingang E35A einer Kontrolleinrichtung 35 nachgeschaltet ist. Einem zwei­ ten Eingang E35B der Kontrolleinrichtung 35 ist ein Ausgang A25 des ersten Hochpass-Vorfilters 25 vorgeordnet. Die Abta­ stratenreduktionseinheit 30 ist mit ihrem Ausgang A30 mit ei­ nem Eingang E40 eines zweiten Tiefpass-Vorfilters 40 verbun­ den, dem an seinem Ausgang A40 ein Eingang E45 eines zweiten Hochpass-Vorfilters 45, ein dritter Eingang E35C der Kon­ trolleinrichtung 35 sowie ein Eingang E50 einer zweiten Ab­ tastratenreduktionseinheit 50 nachgeordnet ist. Einem vierten Eingang E35D ist ein Ausgang A45 des zweiten Hochpass- Vorfilters 45 vorgeordnet. Einem Ausgang E50 der zweiten Ab­ tastratenreduktionseinheit 50 ist ein Tiefpass-Filter 55 - nachfolgend Tiefpass-Hauptfilter 55 genannt - nachgeordnet, dessen Ausgang A55 mit einem Eingang E60 eines Hochpass-Fil­ ters 60 - nachfolgend als Hochpass-Hauptfilter 60 bezeichnet - sowie ein fünfter Eingang E35E der Kontrolleinrichtung 35 nachgeschaltet ist. Einem sechsten Eingang E35F der Kon­ trolleinrichtung 35 ist ein Ausgang A60 des Hochpass- Hauptfilters 60 vorgeordnet. Die Kontrolleinrichtung 35 weist einen Ausgang A35A sowie einen weiteren Ausgang A35B auf.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 sind dem Tiefpass-Hauptfilter 55 zwei Tiefpass-Vorfilter, nämlich das erste Tiefpass-Vor­ filter 20 und das zweite Tiefpass-Vorfilter 40 vorgeordnet; selbstverständlich ist es möglich, dem Tiefpass-Hauptfilter 55 noch weitere Tiefpass-Vorfilter vorzuordnen, wie dies durch die gepunktete Linie 70 in der Fig. 1 angedeutet ist.

Wie die Fig. 1 erkennen läßt, wird der Abtast-Halteschaltung 5 ein elektrisches Signal f(t) zugeführt, das mit einem Takt­ signal mit der Abtastfrequenz f_A = 3200 Hz bzw. mit der Ab­ tastperiode t_A abgetastet wird. Das elektrische Signal f(t) weist ein Frequenzspektrum zwischen ca. 2 Hz und 300 Hz auf. Die Abtast-Halteschaltung 5 tastet das elektrische Signal f(t) unter Bildung von Abtastwerten ab und überträgt diese Abtastwerte zu dem Analog-Digital-Wandler 10, indem aus den Abtastwerten Digitalwerte f(nt_A) gebildet und diese an die nachgeordnete Quadrierstufe 15 abgegeben werden. Am Ausgang der Quadrierstufe 15 entstehen somit quadrierte Digitalwerte f²(nt_A). Die quadrierten Digitalwerte f²(nt_A) werden in das erste Tiefpass-Vorfilter 20 eingespeist und dort digital ge­ filtert. Bei dem ersten Tiefpass-Vorfilter 20 handelt es sich um ein als Tiefpass ausgebildetes, nichtrekursives Digital­ filter (FIR-Filter), dessen Sperrfrequenz f_s der halben Ab­ tastfrequenz f_A also f_s = 1600 Hz entspricht. Am Ausgang des ersten Tiefpass-Vorfilters 20 entstehen vorgefilterte Digi­ talwerte f²'(nt_A).

Diese vorgefilterten Digitalwerte f²'(nt_A) werden zu dem er­ sten Hochpass-Vorfilter 25 übertragen und dort unter Bildung von Vorfilter-Kontrollwerten g'(nt_A) gefiltert. Bei dem Hoch­ pass-Vorfilter 25 handelt es sich um ein nichtrekursives Di­ gitalfilter (FIR-Filter) mit einer Hochpass-Charakteristik; die Sperrfrequenz f_ss entspricht einem Vierzigstel der Ab­ tastfrequenz f_A also f_ss = f_A/40 = 80 Hz.

Die Vorfilter-Kontrollwerte g'(nt_A) sowie die vorgefilterten Digitalwerte f²'(nt_A) gelangen zu der Kontrolleinrichtung 35. In der Kontrolleinrichtung 35 werden die Vorfilter-Kontroll­ werte g'(nt_A) jeweils zeitlich den vorgefilterten Digitalwer­ ten f²'(nt_A) zugeordnet. Danach wird eine vorgegebene Anzahl N1 = 11 an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kontrollwerten g'(nt_A) größenmäßig mit den zugeordneten vorgefilterten Digi­ talwerten f²'(nt_A) verglichen. Wenn die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kontrollwerten g'(nt_A) ein vorgegebenes Vielfaches von 0,05 (also 5%) der jeweils zuge­ ordneten vorgefilterten Digitalwerte f²'(nt_A) unterschreitet, so wird anschließend mit den vorgefilterten Digitalwerten f²'(nt_A) unter Heranziehung einer Radizierstufe in der Kontrolleinrichtung 35 ein Meßsignal S erzeugt und an dem weiteren Ausgang A35B der Kontrolleinrichtung 35 abgegeben. Das Meßsignal S gibt dabei den Effektivwert des elektrischen Signals f(t) an. Die vorgegebene Anzahl N1 = 11 entspricht der Anzahl der Filterkoeffizienten des vorgeschalteten ersten Hochpass-Vorfilters 25.

Falls die vorgegebene Anzahl N1 = 11 an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kontrollwerten g'(nt_A) das vorgegebene Vielfache von 0,05 der jeweils zugeordneten vorgefilterten Digitalwerte f²'(nt_A) nicht unterschreitet und demnach kein Meßsignal S erzeugt wurde, werden die vorgefilterten Digitalwerte f²'(nt_A) in die erste Abtastratenreduktionseinheit 30 einge­ speist. In dieser Abtastratenreduktionseinheit 30 wird die Abtastrate der vorgefilterten Digitalwerte f²'(nt_A) um den Faktor 2 reduziert, indem ausschließlich jeder zweite Ab­ tastwert der eingespeisten Digitalwerte f²'(nt_A) am Ausgang der Abtastratenreduktionseinheit 30 ausgegeben wird; die üb­ rigen Digitalwerte der in die erste Abtastratenreduktionseinheit 30 eingespeisten Digitalwerte werden nicht weiter verwendet.

Am Ausgang der Abtastratenreduktionseinheit 30 entstehen ab­ tastratenreduzierte Digitalwerte f²'(nt'_A) (mit t'_A = 2t_A), die in das zweite Tiefpass-Vorfilter 40 eingespeist werden. Dieses zweite Tiefpass-Vorfilter 40 ist mit dem ersten Tief­ pass-Vorfilter 20 identisch, d. h., daß es sich bei dem zwei­ ten Tiefpass-Vorfilter 40 also auch um ein digitales FIR- Tiefpassfilter handelt, dessen Sperrfrequenz spektral in der Mitte des Spektrums der jeweils in das Vorfilter eingespei­ sten Digitalwerte liegt und damit der halben Abtastfrequenz der eingespeisten Digitalwerte entspricht; da in das zweite Tiefpass-Vorfilter 40 die abtastratenreduzierten Digitalwerte f²'(nt'_A) eingespeist werden, deren Abtastrate nicht mehr f_A = 3200 Hz, sondern nur f'_A = 1600 Hz beträgt, liegt die Sperrfrequenz dieses zweiten Tiefpass-Vorfilters 40 nun bei f_s' = 800 Hz, obwohl die beiden Tiefpass-Vorfilter 20 und 40 identisch sind. Am Ausgang des zweiten Tiefpass-Vorfilters 20 entstehen vorgefilterte Digitalwerte f²''(nt'_A).

Diese vorgefilterten Digitalwerte f²''(nt'_A) werden zu dem zweiten Hochpass-Vorfilter 45 übertragen und dort unter Bil­ dung von weiteren Vorfilter-Kontrollwerten g''(nt'_A) gefil­ tert. Das zweite Hochpass-Vorfilter 45 ist mit dem ersten Hochpass-Vorfilter 25 identisch, d. h. es handelt sich um ein nichtrekursives Digitalfilter (FIR-Filter) mit einer Hoch­ pass-Charakteristik; die Sperrfrequenz f_ss entspricht damit einem Vierzigstel der Abtastfrequenz f'_A der in das Hochpass- Vorfilter 45 eingespeisten Digitalwerte, also f'_ss = f'_A/40 = 40 Hz.

Die weiteren Vorfilter-Kontrollwerte g''(nt'_A) sowie die vor­ gefilterten Digitalwerte f²''(nt'_A) gelangen zu der Kon­ trolleinrichtung 35. In der Kontrolleinrichtung 35 werden die Vorfilter-Kontrollwerte g''(nt'_A) jeweils zeitlich den vorge­ filterten Digitalwerten f²''(nt'_A) zugeordnet. Danach wird eine vorgegebene Anzahl N2 = 11 an aufeinanderfolgenden Vor­ filter-Kontrollwerten g''(nt'_A) größenmäßig mit den jeweils zugeordneten vorgefilterten Digitalwerten f²''(nt'_A) vergli­ chen: Wenn die vorgegebene Anzahl N2 an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kontrollwerten g''(nt'_A) ein vorgegebenes Vielfa­ ches von 0,05 (also 5%) der jeweils zugeordneten vorgefil­ terten Digitalwerte f²''(nt'_A) unterschreitet, so wird an­ schließend mit den vorgefilterten Digitalwerten f²''(nt'_A) unter Heranziehung einer Radizierstufe in der Kontrollein­ richtung 35 das Meßsignal S erzeugt und an dem weiteren Aus­ gang A35B der Kontrolleinrichtung 35 abgegeben. Die vorgege­ bene Anzahl N2 = 11 entspricht der Anzahl der Filterkoeffi­ zienten des zweiten Hochpass-Vorfilters 45.

Falls mit den Digitalwerten f²''(nt'_A) das Meßsignal S nicht erzeugt werden konnte, so werden die von dem zweiten Tief­ pass-Vorfilter 40 abgegebenen gefilterten Digitalwerte f²''(n­ t'_A) zu der zweiten Abtastratenreduktionseinheit 50 übermittelt, in der wiederum die Abtastrate bzw. die Ab­ tastfrequenz der eingespeisten Digitalwerte um den Faktor 2 reduziert wird, indem ausschließlich jeder zweite Abtastwert der eingespeisten Digitalwerte weiter verwendet und am Aus­ gang der zweiten Abtastratenreduktionseinheit 50 abgegeben wird. Die am Ausgang der zweiten Abtastratenreduktionseinheit 50 abgegebenen Digitalwerte f²''(nt''_A) (mit t_A'' = 2t_A' = 4­ t_A), gelangen zu dem Tiefpass-Hauptfilter 55, das mit den beiden Tiefpass-Vorfiltern 20 und 40 identisch ist und aufgrund der Abtastfrequenz f_A'' = f_A'/2 = f_A/4 der eingespei­ sten Digitalwerte eine Sperrfrequenz von f_s'' = f_s'/2 = f_A/8 = 400 Hz aufweist. Die in das Tiefpass-Hauptfilter 55 ein­ gespeisten Digitalwerte werden gefiltert und als Digitalwerte f²'''(nt''_A) an dem Ausgang A55 des Tiefpass-Hauptfilters 55 abgegeben.

Diese gefilterten Digitalwerte f²'''(nt''_A) werden zu dem Hochpass-Hauptfilter 60 übertragen und dort unter Bildung von Kontrollwerten g'''(nt''_A) gefiltert.

Das Hochpass-Hauptfilter 60 ist mit dem ersten Hochpass-Vor­ filter 25 und dem zweiten Hochpass-Vorfilter 45 identisch, d. h. es handelt sich um ein nichtrekursives Digitalfilter (FIR-Filter) mit einer Hochpass-Charakteristik; die Sperrfre­ quenz f_ss entspricht damit einem Vierzigstel der Abtastfre­ quenz f''_A der in das Hochpass-Hauptfilter 60 eingespeisten Digitalwerte, also f''_ss = f''_A/40 = 20 Hz.

Die Kontrollwerte g'''(nt''_A) sowie die gefilterten Digital­ werte f²'''(nt''_A) gelangen zu der Kontrolleinrichtung 35. In der Kontrolleinrichtung 35 werden die Kontrollwerte g'''(nt''_A) jeweils zeitlich den gefilterten Digitalwerten f²'''(nt''_A) zugeordnet. Danach wird eine vorgegebene Anzahl N3 = 11 an aufeinanderfolgenden Kontrollwerten g'''(nt''_A) größenmäßig jeweils mit den zugeordneten gefilterten Digital­ werten f²'''(nt''_A) verglichen. Anschließend wird mit den gefilterten Digitalwerten f²'''(nt''t_A) unter Heranziehung einer Radizierstufe in der Kontrolleinrichtung 35 das Meßsi­ gnal S erzeugt und an dem weiteren Ausgang A35B der Kon­ trolleinrichtung 35 abgegeben, wenn die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Kontrollwerten g'''(nt''_A) ein vor­ gegebenes Vielfaches von 0,05 (also 5%) der jeweils zugeord­ neten gefilterten Digitalwerte f²'''(nt''_A) unterschreitet.

Falls die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Kon­ trollwerten g'''(nt''_A) das vorgegebene Vielfache von 0,05 der jeweils zugeordneten vorgefilterten Digitalwerte f²'''(nt''_A) nicht unterschreitet und demnach kein Meßsignal S erzeugt wurde, so wird ein Fehlersignal F erzeugt und an dem weiteren Ausgang A35A der Kontrolleinrichtung 35 abgege­ ben.

Mit der Anordnung gemäß Fig. 1 wird das elektrische Signal f(t) in dem ersten Tiefpass-Vorfilter 20 und in dem zweiten Tiefpass-Vorfilter 40 also zunächst zweimal vorgefiltert und erst anschließend in das Tiefpass-''Hauptfilter'' 55 überführt. Die Punkte 70 deuten an, daß das elektrische Signal f(t) selbstverständlich auch mehr als zweimal vorgefiltert werden kann, bevor es in das Tiefpass-Hauptfilter 55 eingespeist wird.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kontrollein­ richtung 35. Dem ersten Eingang E35A der Kontrolleinrichtung 35 ist ein erster Eingang E100A einer ersten Recheneinheit 100, dem zweiten Eingang E35B der Kontrolleinrichtung 35 ein zweiter Eingang E100B der ersten Recheneinheit 100, dem drit­ ten Eingang E35C der Kontrolleinrichtung 35 ein erster Ein­ gang E105A einer zweiten Recheneinheit 105, dem vierten Ein­ gang E35D der Kontrolleinrichtung 35 ein zweiter Eingang E105B der zweiten Recheneinheit 105, dem fünften Eingang E35E der Kontrolleinrichtung 35 ein Eingang E110A einer dritten Recheneinheit 110 und dem sechsten Eingang E35F der Kon­ trolleinrichtung 35 ein zweiter Eingang E110B der dritten Re­ cheneinheit 110 nachgeordnet. Die drei Recheneinheiten 100, 105 und 110 sind identisch und im Zusammenhang mit der Fig. 3 erläutert.

Ein Ausgang A100 der ersten Recheneinheit 100 ist mit dem weiteren Ausgang A35B der Kontrolleinrichtung 35 verbunden. Ein Steuerausgang S100 der ersten Recheneinheit 100 ist an einen Eingang E115A eines ODER-Gliedes 115, an einen Eingang E120A eines NOR-Gliedes 120 und an einen Steuereingang S125 eines ersten Schaltelementes 125 angeschlossen, dessen Ein­ gang E125 einem Ausgang A105 der zweiten Recheneinheit 105 vorgeordnet ist. Ein Ausgang A125 des Schaltelementes 125 ist mit dem Ausgang A35A der Kontrolleinrichtung 35 verbunden. Ein Steuerausgang S105 der Recheneinheit 105 ist an einen weiteren Eingang E120B des NOR-Gliedes 120 und an einen weiteren Eingang E115B des ODER-Gliedes 115 angeschlossen, dem an einem Ausgang A115 ein zweites Schaltelement 130 mit seinem Steuereingang S130 nachgeordnet ist. Ein Eingang E130 des Schaltelementes 130 ist mit einem Ausgang A110 der drit­ ten Recheneinheit und ein Ausgang A130 des Schaltelementes 130 mit dem Ausgang A35A der Kontrolleinrichtung 35 ver­ bunden.

Die Schaltelemente 125 und 130 schalten ein an ihrem Eingang E125 bzw. E130 anliegendes Signal S2 bzw. S3 an ihren Ausgang A125 bzw. A130 durch, wenn an ihrem Steuereingang S125 bzw. S130 eine logische "0" anliegt, anderenfalls schalten sie das anliegende Signal S2 bzw. S3 nicht durch.

In der Recheneinheiten 100 werden die Vorfilter-Kontrollwerte g'(nt_A) jeweils zeitlich den vorgefilterten Digitalwerten f²'(nt_A) zugeordnet. Danach wird die vorgegebene Anzahl N1 = 11 an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kontrollwerten g'(nt_A) größenmäßig mit den zugeordneten vorgefilterten Digitalwerten f²'(nt_A) verglichen. Anschließend wird mit den vorgefilterten Digitalwerten f²'(nt_A) unter Heranziehung der Radizierstufe in der Recheneinheit 100 ein Meßsignal S1 erzeugt, wenn die vorgegebene Anzahl N1 = 11 an aufeinanderfolgenden Vorfilter- Kontrollwerten g'(nt_A) ein vorgegebenes Vielfaches von k = 0,05 (also 5%) der jeweils zugeordneten vorgefilterten Digi­ talwerte f²'(nt_A) unterschreitet. Das Meßsignal S1 gibt dabei den Effektivwert des elektrischen Signals f(t) an und gelangt als das Meßsignal S an den Ausgang A35A der Kontrolleinrich­ tung 35; an dem Steuerausgang S100 wird als Steuersignal F1 eine logische "1" abgegeben, die anzeigt, daß mit der ersten Recheneinheit 100 das Meßsignal S erzeugt wurde.

Falls die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Vorfil­ ter-Kontrollwerten g'(nt_A) das vorgegebene Vielfache von k = 0,05 der jeweils zugeordneten vorgefilterten Digitalwerte f²'(nt_A) nicht unterschreitet und demnach kein Meßsignal S erzeugt wurde, so wird an dem Steuerausgang S100 als Steuer­ signal F1 eine logische "0" abgegeben, die anzeigt, daß mit der ersten Recheneinheit 100 das Meßsignal S1 bzw. S nicht erzeugt werden konnte.

In gleicher Weise arbeiten die beiden anderen Recheneinheiten 105 und 110. In der zweiten Recheneinheiten 105 werden die weiteren Vorfilter-Kontrollwerte g''(nt'_A) jeweils zeitlich den Digitalwerten f²''(nt'_A) zugeordnet. Danach wird die vor­ gegebene Anzahl N2 = 11 an aufeinanderfolgenden Vorfilter- Kontrollwerten g''(nt'_A) größenmäßig mit den zugeordneten vorgefilterten Digitalwerten f²''(nt'_A) verglichen. Anschlie­ ßend wird mit den vorgefilterten Digitalwerten f²''(nt'_A) un­ ter Heranziehung der Radizierstufe in der Recheneinheit 105 ein Meßsignal S2 erzeugt, wenn die vorgegebene Anzahl an auf­ einanderfolgenden Vorfilter-Kontrollwerten g''(nt'_A) das vor­ gegebene Vielfache von k = 0,05 (also 5%) der jeweils zuge­ ordneten vorgefilterten Digitalwerte f²''(nt'_A) unterschrei­ tet. Das Meßsignal S2 gibt dabei den Effektivwert des elek­ trischen Signals f(t) an und gelangt als das Meßsignal S an den Ausgang A35A der Kontrolleinrichtung 35, wenn es von dem Schaltelement 125 durchgeschaltet wird; dies ist genau dann der Fall, wenn an dem Steuereingang S125 eine logische "Null" anliegt. An dem Steuerausgang S100 wird bei erzeugtem Meßsi­ gnal S2 als Steuersignal F2 eine logische "1" abgegeben, die anzeigt, daß mit der zweiten Recheneinheit 105 das Meßsignal S erzeugt wurde.

Falls die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Vorfil­ ter-Kontrollwerten g''(nt'_A) das vorgegebene Vielfache von k = 0,05 der jeweils zugeordneten vorgefilterten Digitalwerte f²(nt'_A) nicht unterschreitet und demnach kein Meßsignal S2 oder S erzeugt wurde, so wird an dem Steuerausgang S105 als Steuersignal F2 eine logische "0" abgegeben, die anzeigt, daß mit der zweiten Recheneinheit 105 das Meßsignal S2 bzw. S nicht erzeugt werden konnte.

In der dritten Recheneinheit 110 werden die Kontrollwerte g'''(nt''_A) jeweils zeitlich den Digitalwerten f²'''(nt''_A) zugeordnet. Danach wird eine vorgegebene Anzahl an aufein­ anderfolgenden Kontrollwerten g'''(nt''_A) größenmäßig mit den zugeordneten vorgefilterten Digitalwerten f²'''(nt''_A) ver­ glichen. Anschließend wird mit den Digitalwerten f²'''(nt''_A) unter Heranziehung der Radizierstufe in der dritten Rechen­ einheit 110 ein Meßsignal S3 erzeugt, wenn die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Kontrollwerten g'''(nt''_A) das vorgegebene Vielfache von k = 0,05 (also 5%) der jeweils zu­ geordneten vorgefilterten Digitalwerte f²'''(nt''_A) unter­ schreitet. Das Meßsignal S3 gibt dabei den Effektivwert des elektrischen Signals f(t) an und gelangt als das Meßsignal S an den Ausgang A35A der Kontrolleinrichtung 35, wenn es von dem zweiten Schaltelement 130 durchgeschaltet wird; dies ist genau dann der Fall, wenn an dem Steuereingang S130 eine lo­ gische "Null" anliegt, d. h. genau dann, wenn an die beiden Eingänge E115A und E115B des ODER-Gliedes 115 jeweils eine logische "0" abgegeben wird. An dem Steuerausgang S110 wird bei erzeugtem Meßsignal S3 als Steuersignal F3 eine logische "1" abgegeben, die anzeigt, daß mit der zweiten Recheneinheit 105 das Meßsignal S3 bzw. S erzeugt wurde.

Falls die vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Kontrollwerten g'''(nt''_A) das vorgegebene Vielfache von k = 0,05 der jeweils zugeordneten gefilterten Digitalwerte f²'''(nt''_A) nicht unterschreitet und demnach kein Meßsignal S3 oder S erzeugt wurde, so wird an dem Steuerausgang S110 als Steuersignal F3 eine logische "0" abgegeben, die anzeigt, daß mit der dritten Recheneinheit 110 das Meßsignal S3 bzw. S nicht erzeugt werden konnte.

Die drei Steuersignale F1, F2 und F3 gelangen zu dem NOR- Glied 120, in dem ein Fehlersignal F mit einer logischen "1" erzeugt wird, wenn mit keiner der Recheneinheiten 100, 105 und 110 das Meßsignal S erzeugt werden konnte, d. h. also dann, wenn alle drei Steuersignale F1, F2 und F3 eine logi­ sche "0" aufweisen.

Die Funktionsweise der drei identischen Recheneinheiten 100, 105 und 110 soll nun anhand der ersten Recheneinheit 100 er­ läutert werden.

Die Recheneinheit 100 weist an ihrem zweiten Eingang E100B einen Produktbildner 195 auf, dem eine Anzahl N = N1 = N2 = N3 = 11 von Verzögerungsgliedern 200 nachgeordnet ist. Die Verzögerungsglieder 200 sind nacheinander in Reihe geschal­ tet. Die Anzahl N entspricht der Anzahl der Koeffizienten des vorgeschalteten Hochpaßfilters; im Falle der ersten Rechen­ einheit 100 sowie der beiden anderen Recheneinheiten 105 und 110 sind dies N = 11, weil die Hochpass-Vorfilter 25 und 45 und das Hochpass-Hauptfilter 60 identisch sind und jeweils 11 Filterkoeffizienten aufweisen. Dem Produktbildner 195 und dem Ausgang jedes der Verzögerungsglieder 200 ist jeweils ein Komparator 205 mit seinem einen Eingang E205a nachgeschaltet; der jeweils andere Eingang E205b der Komparatoren 205 ist mit den an dem ersten Eingang E100A der ersten Recheneinheit 100 anliegenden Digitalwerten f²'(nt_A) beaufschlagt. Den Komparatoren 205 ist ausgangsseitig jeweils ein Eingang eines UND-Gliedes 210 nachgeschaltet, das eine logische UND- Verknüpfung der Ausgangssignale der Komparatoren 205 bewirkt.

Der Produktbildner 195 multipliziert jeden eingangsseitig an­ liegendem Kontrollwert g'(nt_A) mit dem vorgegebenen Vielfa­ chen von k = 0,05 und gibt ausgangsseitig reduzierte Kon­ trollwerte k.g'(nt_A) ab.

Das UND-Glied 210 bildet anschaulich beschrieben an seinem Ausgang ein Steuersignal F1 mit einer "logischen 1", wenn alle Ausgänge der Komparatoren 205 eine "logische 1" auf­ weisen, also immer dann, wenn eine Anzahl N = 11 an zeitlich aufeinanderfolgenden, in die erste Recheneinheit 100 einge­ speisten Kontrollwerten g'(nt_A) das vorgegebene Vielfache von k = 0,05 der eingespeisten Digitalwerte f²'(nt_A) unter­ schreiten.

Dem UND-Glied 210 ist ein Steuereingang S215 eines Schalters 215 nachgeschaltet, dessen Eingang E215 mit dem ersten Ein­ gang E100A der ersten Recheneinheit 100 und dessen Ausgang A215 über eine Radizierstufe 220 mit dem Ausgang A100 der er­ sten Recheneinheit 100 verbunden ist.

Falls das Steuersignal F1 mit einer logischen "1" von dem UND-Glied 210 erzeugt wurde, so gelangt es zu dem Steueraus­ gang S100 der ersten Recheneinheit 100 und zu dem Schalter 215, der daraufhin die Digitalwerte f²'(nt_A) zu dem Ausgang A100 der ersten Recheneinheit 100 als Meßsignal S1 durch­ schaltet.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein geeignetes Tiefpass-Filter und ein geeignetes Hochpass-Filter für die Anordnung gemäß Fig. 1 in Form von Amplituden und Phasengängen; dabei zeigt die Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für ein Tiefpass-Filter, das als das Tiefpass-Hauptfilter 55 und die beiden Tiefpass- Vorfilter 20 und 40 eingesetzt werden kann, und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für ein Hochpass-Filter, das als das Hochpass-Hauptfilter 60 und die beiden Hochpass-Vorfilter 25 und 45 eingesetzt werden kann.

Die Filterkoeffizienten a0, . . ., a14 des Tiefpass-Filters 20, 40 und 55 wurden unter Verwendung des bekannten Programmpa­ kets Matlab® (THE MATH WORKS Inc, Natick, Mass., USA) mit folgender Matlab®-Programmzeile erzeugt:
a = fir1(14,1/4)

Die damit erzeugten Filterkoeffizienten lassen sich der nach­ stehenden Tabelle entnehmen:

Die Filterkoeffizienten b0, . . ., b10 des Hochpass-Filters 25, 45 und 60 wurden mit folgender Matlab®-Programmzeile er­ zeugt:
b = [11 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]/11

Die damit erzeugten Filterkoeffizienten lassen sich der nach­ stehenden Tabelle entnehmen:

Die beiden Filter bilden ihre Ausgabe-Digitalwerte Y(n) in Abhängigkeit von Eingabe-Digitalwerten X(n) gemäß folgenden Gleichungen:

für das Tiefpass-Filter 20, 40 und 55

für das Hochpass-Filter 25, 45 und 60.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann teilweise beispielsweise durch eine entsprechend programmierte DV-Anlage gebildet sein.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erzeugen eines dem Effektivwert eines elek­ trischen Signals (f(t)) proportionalen Meßsignals (S), bei dem
das elektrische Signal (f(t)) mittels einer Abtast-Halte­ schaltung (5) bei einer vorgegebenen Abtastfrequenz (f_A) abgetastet und in einem Analog-Digital-Wandler (10) in Di­ gitalwerte (f(nt_A)) umgewandelt wird,
aus den Digitalwerten (f(nt_A)) in einer Quadrierstufe (15) quadrierte Digitalwerte (f²(nt_A)) gebildet werden, die an­ schließend in einem als Tiefpass ausgebildeten, digitalen Tiefpass-Filter (55) unter Bildung gefilterter Digitalwerte gefiltert (f²'''(nt_A'')) werden,
die gefilterten Digitalwerte (f²'''(nt_A'')) in einem als Hochpass ausgebildeten, digitalen Hochpass-Filter (60) unter Bildung von Kontrollwerten (g'''(nt''_A'')) gefiltert werden und
mit den gefilterten Digitalwerten (f²'''(nt_A'')) das Meßsi­ gnal (S) unter Einsatz einer Radizierstufe (220) erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl (N = 11) an aufeinander­ folgenden Kontrollwerten (g'''(nt_A'')) ein vorgegebenes Vielfaches (k) der jeweils zugeordneten gefilterten Digi­ talwerte (f'''(nt_A'')) unterschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Anzahl (N) an aufeinanderfolgenden Kon­ trollwerten (g'''(nt_A'')) der Anzahl der Filterkoeffizienten des Hochpass-Filters (60) entspricht.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Vielfache (k) 5% beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die quadrierten Digitalwerte (f²(nt_A)) vor dem Einspeisen in das Tiefpass-Filter (55) mindestens einmal in einem als Tiefpass ausgebildeten, digitalen Tiefpass-Vorfilter (20, 40) unter Bildung vorgefilterter Digitalwerte (f²'(nt_A), f²"(nt'_A)) vorgefiltert und anschließend einer Abtastratenreduktion (30, 50) unterzogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die vorgefilterten Digitalwerte (f²'(nt''_A), f²"(nt"_A)) in einem als Hochpass ausgebildeten, digitalen Hochpass-Vor­ filter (25, 45) unter Bildung von Vorfilter-Kontrollwerten (g'(nt''_A), g"(nt_A')) gefiltert werden und
mit den vorgefilterten Digitalwerten (f²'(nt_A), f²"(nt'_A)) als gefilterten Digitalwerten das Meßsignal (S) unter Her­ anziehung der Radizierstufe erzeugt wird, wenn eine vorge­ gebene Anzahl (N) an aufeinanderfolgenden Vorfilter-Kon­ trollwerten (g'(nt_A), g"(nt_A')) das vorgegebene Vielfache (k) der jeweils zugeordneten vorgefilterten Digitalwerte (f²'(nt_A), f²"(nt'_A)) unterschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Anzahl (N) an aufeinanderfolgenden Vorfil­ ter-Kontrollwerten (g'(nt''_A), g"(nt''_A')) der Anzahl der Fil­ terkoeffizienten des Hochpass-Vorfilters (25, 45) ent­ spricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
als Tiefpass-Vorfilter (20, 40) ein Tiefpass verwendet wird, dessen Sperrfrequenz (f_S) der Hälfte der Abtastfrequenz (f_A, f_A') der in das Tiefpass-Vorfilter (20, 40) eingespei­ sten quadrierten Digitalwerte (f²(nt_A), f²'(nt_A')) ent­ spricht, und
die Abtastfrequenz (f_A, f_A') der vorgefilterten Digital­ werte (f²'(nt_A), f²"(nt_A')) um den Faktor 2 reduziert wird, indem ausschließlich jeder zweite Digitalwert weiter ver­ wendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Tiefpass-Vorfilter (25, 45) ein Tiefpass verwendet wird, dessen Grenzfrequenz einer zwischen einem Viertel und der Hälfte der Abtastfrequenz (f_A, f_A') der in das Tiefpass- Vorfilter eingespeisten quadrierten Digitalwerte (f²(nt_A), f²'(nt_A')) liegenden Frequenz entspricht.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochpass-Filter (60), Tiefpass-Filter (55), Hochpass- Vorfilter (25, 45) und Tiefpass-Vorfilter (20, 40) FIR-Filter verwendet werden.