-
Verfahren und Vorrichtung zur automatisierten Justierung
-
(Eichung) von Meßgeräten und Wandlern physikalischer Eingangs größen
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des
Hauptanspruchs und einer Vorrichtung nach der Gattung des ersten Sachanspruchs.
Bei Meßgeräten oder Wandlern beliebiger Art und Aufgabe, insbesondere bei solchen
Systemen, die physikalische Eingangsgrößen in elektrische, etwa durch eine Anzeige
darstellbare Größen umwandelt, ist die Notwendigkeit bekannt, diese nach Fertigstellung
oder nach Reparaturen oder auch nur in vorgegebenen Zeitabständen zu justieren bzw.
nachzujustieren. Der Begriff der Justierung soll hier
im weitesten
Sinne von Abgleichen, insbesondere aber auch von Eichung verstanden werden. Geeicht
werden müssen z. B. sämtliche Wandler oder Meßgeräte, die solche Eingangsgrößen
wie Temperatur, Weglänge oder Verschiebung, Druck, llelligkeitseinwirkung, Belastung
im Sinne von Gewicht o. dgl. verarbeiten und anzeigen oder auch nur als Istwertgeber
bestimmte Größen in Verbindung mit geregelten Vorgängen erfassen und einem Regler,
insbesondere Prozeßregler zuführen. Die Genauigkeitsanforderungen an solche Justierungen
können unter Umständen außerordentlich hoch sein; jedenfalls darf eine solche Justierung
durch Umweltbedingungen nicht bzw. nur innerhalb tolerierbarer Grenzen von den Normwerten
abweichen.
-
Es ist bekannt, zur Eichung von Verstärkern in Meßgeräten Präzisionswiderstandsketten
zu verwenden, die nicht oder nur sehr gering temperaturabhängig sind und als Teil
des abzugleichenden oder zu eichenden Geräts in diesem eingebaut werden. Den Präzisionswiderstandsketten
sind Schalter zugeordnet, beispielsweise parallelgeschaltet, so daß, je nachdem,
welchen Widerstandswert man nun effektiv braucht, bestimmte Widerstände in der Kette
durch Schließen der parallelen Schalter umgangen werden können. Zur Durchführung
des Feinabgleichs enthält die Widerstandskette dann noch Potentiometer, was wiederum
problematisch ist. Die Verwendung von Potentiometern hat nur dann Sinn, wenn man
mit diesen fein genug einstellen kann, man muß daher für das Potentiometer einen
ausreichend kleinen Einstellbereich zulassen, wodurch man dann wieder entsprechend
mehr Präzisionswiderstände benötigt. Die genannten Präzisionswiderstandsketten
sind
Teil von in der Meßstrecke angeordneten Verstärkern, wobei bei Meßgeräten die Eichung
üblicherweise auf Null und auf Bereich (100 %) erfolgt. Zur Eichung auf Null wird
üblicherweise der Nullpunkt des bei Meßgeräten oder Wandlern normalerweise vorhandenen
Verstärkers eingestellt, während die Einstellung des Velsstärkungsfaktors für den
Bereich, also bei 100 % Belastung des Meßwertgebers entsprechend Vollausschlag,
vorgenommen wird.
-
Hierzu wird üblicherweise so vorgegangen, daß etwa bei einem Temperaturgeber,
der im einfachen angenommenen Fall im Bereich zwischen 0 OC und 100 OC an einer
Anzeige diese Zahlenwerte angeben soll, das eigentliche Meßwertgeber-Element einer
geeichten Temperatur von 0 °C unterworfen und durch Einstellen der für den Nullpunkt
maßgeblichen Präzisionswiderstandsketten auch die Anzeige des Geräts auf Null abgestimmt
wird.
-
Anschließend erfolgt die Beaufschlagung des Meßwertgebers mit 100
°C und der Verstärkungsgrad der Meßstrecke wird auf ähnliche Weise eingestellt,
bis sich in der Anzeige der Zahlenendwert ergibt dem der Meßwertgeber aktuell unterworfen
ist.
-
Da eine gegenseitige Beeinflussung dieser beiden Justierungsschritte
nicht ausgeschlossen werden kann, kann es erforderlich sein, diese iterativ so lange
zu wiederholen, bis die Eichung einwandfrei ist. Solche Justiervorgänge sind aufwendig,
von der Kostenseite her belastend und erfordern den Einsatz von Fachkräften; außerdem
ist es notwendig, insbesondere bei Meßgeräten bestimmter Art, etwa bei Waagen, die
Genauigkeit in festgelegten Abständen zu kontrollieren und das Gerät neu zu eichen.
-
Zwischenzeitlich ist das Gerät dann allerdings nicht in der Lage,
sich geänderten Umweltbedingungen anzupassen oder selbständig automatisch eine Nacheinstellung
der einmal erfolgten Justierung vorzunehmen.
-
Für sich gesehen bekannt sind Maßnahmen und Mittel, die die Einstellung
eines sogenannten 'tAutozero" zum Ziel haben; hierbei handelt es sich aber nur um
eine gegebenenfalls automatische Nullpunktkorrektur bei Verstärkern mit dem Nachteil,
daß nur dieser und nicht die gesamte Meßstrecke, die bei Meßgeräten oder Wandlern
von entscheidender Bedeutung sind, justiert wird.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Meßgeräte und Wandler
beliebiger Art, insbesondere solche, die physikalische Eingangsgrößen in elektrische,
vorzugsweise digital anzeigbare Aus gangsgrößen umwandeln, so auszugestalten, daß
eine automatische Justierung ohne manuelle Eingriffe durch Vergleich mit einem Eichnormal
vorgenommen werden kann, mit der Möglichkeit einer stetigen Kontrolle und gegebenenfalls
automatischen Nachstellung der einmal erfolgten Justierung.
-
Vorteile der Erfindung Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Sachanspruchs
und hat den Vorteil, daß durch den Verzicht auf manuellen Abgleicharbeiten eine
erhebliche Zeit-und Kostenersparnis bei der Justierung oder Eichung möglich
ist.
Da kostenträchtige und temperaturuna1iiärgige Präzisionswiderstandsketten nicht
mehr erforderlich sind, ergibt sich für die Realisierung einer insoweit automatischen
Eichvorrichtung nach der Lehre vorliegender Erfindung praktisch kein Mehraufwand,
insbesondere wenn man berücksichtigt, daß die Erfindung die Verwendung von weniger
präzisen und daher erheblich kostengünstigeren Bauelementen in der eigentlichen
Meßstrecke zuläßt. Eichsysteme, wie die Erfindung sie vorschlägt, benötigen nur
einige hochpräzise Baukomponenten, an die zwar hinsichtlich ihrer Genauigkeit hohe
Anforderungen gestellt werden, die aber bezüglich ihrer Arbeitsfunktion in der Realzeit
nicht "schnell" zu sein brauchen, wie weiter unten noch erläutert wird, so daß sich
auch hierdurch wieder Kosterersparnisse ergeben.
-
Die Erfindung sichert die Möglichkeit einer Justierung, Eichung oder
eines Abgleichs von Meßeinrichtungen verschiedenster Art in hochpräziser Form, wobei
beispielsweise die Eichwerte für Null und Bereich digital im Gerät als Eichnormale
abgespeichert werden, ohne daß hierzu manuelle Eingriffe, etwa an Stellgliedern'erforderlich
sind. Durch die Abspeicherung der Eichnormale im Gerät sind diese stets vorrätig
und können zur selbsttätigen Überprüfung und gegebenenfalls Nachju stie -rung in
vorgegebenen Zeitabständen eingesetzt werden, so daß' Umweltbedingungen wie Temperatur,
leuchte u. dgl., die eine Abweichung vom Sollwert bedingen, eliminiert werden können.
-
Die Eichung selbst läuft insofern praktisch vollkommen automatisiert
ab,
als man lediglich durch entsprechenden Tastendruck auf zunächst beispielsweise Null
oder Bereich die Justierung einleitet und dabei den:eigentlichen Meßaufnehmer oder
Meßwertgeber mit Meßnormalen beaufschlagt. Solche Meßnormalen sind dem Meßwertgeber
extern zugeführte physikalische Größen wie Temperatur O 0 und Temperatur 100 , Druckwerte
für den jeweils gewünschten Bereich, prozentual vorhandene Gasmengen in einem Gasgemisch,
welches analysiert werden soll, etwa Kohlendioxidgehalt in Abgasen von 0 % bis 5
So oder 10 % (Bereich), durch Gravitation bedingte Belastungen wie Gewichte u. dgl.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei letzterem Anwendungsfall dadurch, daß die
Justierung wegen der geringen Anforderungen an das Bedienungspersonal auch erst
am Einsatzort vorgenommen werden kann, so daß bei der Gewichtsmessung auch die Zonen
unterschiedlicher Erdbeschleunigung berücksichtigt werden können, was von erheblicher
Bedeutung sein kann.
-
Ein weiterer besonders bedeutsamer Vorteil ergibt sich aufgrund der
erfindungsgemäßen Konzeption dadurch, daß es möglich ist, auch mit, gegebenenfalls
erheblich nichtlinearen Kennlinien von Meßaufnehmern zu arbeiten, indem durch digitale
Meßwertspeicherung solche Abweichungen von der gewünschten Linearität bei jedem
Meßvorgang rechnerisch aufbereitet und korrigiert, entsprechende Kennlinien daher
automatisch linearisiert werden können. Es ist daher möglich, selbst von Exemplar
zu Exemplar streuende, unterschiedlich nichtlineare Kennlinien von Meßwertaufnehmern
zu erfassen
und solche Systeme einzusetzen, Systeme, die normalerweise
wegen den starken Abweichungen ihrer, obendrein noch nichtlinearen Ü bertragungskennlinien
(Exemplarstreuung) in bisher gen Schaltungen nicht eingesetzt werden konnten. Hierdurch
ergibt sich eine weitere wesentliche Kostenminderung, da solche Meßwertaufnehmer
kostengünstiger angeboten werden und allgemein der Ausschuß bei der Meßwertaufnehmer-Fertigung
durch den Einsatz der Erfindung reduziert werden kann, In einer ähnlichen Weise
gelingt es der vorliegenden Erfindung, nicht nur eine Nichtlinearität des Meßwertgebers
oder Meßaufnehmers zu linearisieren, sondern auch solche Fehler des Meßaufnehmers
zu korrigieren, die sich dadurch ergeben, daß dieser von einer zweiten Variablen
abhängt, beispielsweise von der Temperatur, wenn man annimmt, daß es sich insgesamt
um ein Gasanalysegerät handelt. In diesem Fall wird die Justierung der Meßeinrichtung
wie üblich vorgenommen, jedoch ergänzend bei unterschiedlichen Temperaturen und
die jeweils gewonnenen Werte für das Ausgangs signal in Abhängigkeit zur eigentlichen,
variierenden Meßgröße und zur ergänzenden Variablen werden in einem Meßwertspeicher
abgelegt. Durch einen Hilfsgrößengeber, der diese zusätzliche Variable erfaßt -
beim angegebenen Beispiel also die Temperatur - ist auch eine Korrektur des Meßendergebnisses
mit dem Ausgangssignal dieses llilfsgrößengebers möglich und damit eine Befreiung
des Meßergebnisses von dem Einfluß der zusätzlichen Variablen.
-
Es ist schon erwähnt, daß an die Elemente der erfindungsgemäßen Eichschaltung
zum Teil nur sehr ge2i nge Anforderungen bezüglich
der Genauigkeit
und ihrer zeitlichen Konstanz gestellt werden müssen, wenn sie im Rahmen des erfindungsgemäßen
Vorschlags eingesetzt werden. Dies gilt einmal für den verwendeten Verstärker, dessen
Driften bezüglich Nullpunkt und Verstärkungsfaktor regelmäßig kontrolliert und nachgestellt
werden; dies gilt aber ebenso für die bei der erfindungsgemäßen Schaltung verwendeten
Analog-Digitalwandler, sowie für sonstige Schaltungselemente, die in der überprüften
Meßstrecke liegen und daher vorzugsweise wiederholt kontrolliert und nachgestellt
werden.
-
Das Abspeichern der Meßwerte beim Justieren und der Hilfswerte zur
Kontrolle erfolgt mit der üblichen digitalen Genauigkeit.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Entsprechend einer bevorzugten
Variante vorliegender Erfindung kann an der Stelle des Stellgliedes in der Verstärkerrückführung
(für den Übertragungsfaktor) vor oder nach dem Verstärker auch ein Multiplizierer
vorgesehen sein, welcher in seinem Multiplikationsfaktor beeinflußt wird.
-
Schließlich ist es möglich, die Abgleich- oder Eichvorgänge insoweit
rein digital durchzuführen, als Beeinflussung des Nullpunktes und des Verstärkungsfaktors
mit Hilfe eines Addierwerkes im Zuge der Meßstrecke erfolgt, welches zur Nullpunktkorrektur
ein Korrektursignal entweder hinzuaddiert bzw. subtrahiert bzw. mit Hilfe eines
Multiplizierwerkes, welches
den Übertragungsfaktor der Meßstrecke
- entsprechend einer Anderung des Verstärkungsfaktors - bestimmt.
-
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßgeräts oder Wandlers
zur Umsetzung physikalischer Eingangsgrößen in elektrische und vorzugsweise digital
anzeigbare Ausgangsgrößen mit automatisierter Justierung (Eichung) und nachfolgender,
gegebenenfalls wiederholter Kontrolle der Meßstrecke, in Blockbilddarstellung, Fig.
2 eine Variante der Ausffihrtingsform der Fig. I mit Hilfsgrößenge ber und einer
unterschiedlichen Einstellmöglichkeit des Verstärkungsgrads (Übertragungsfaktors)
und Fig. 3 eine zweite Variante, die eine digitale Eins tellung der Korrekturgrößen
in der Meßstrecke bezüglich Nullpunkt und Übertragungsfaktor ermöglicht.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß Mcßnormale selbst beim anfänglichen
Justier-oder besser Eichvorgang erfaßt und in einem nicht flüchtigen
Meßwertspeicher
abgelegt werden, aus welchem sie jederzeit zur Nachjustierung und Nacheichung sowie
Korrektur wieder, und zwar vorzugsweise automatisch entnommen werden können.
-
Ein mit vorliegender Erfindung ausgestattetes Meßgerät ist daher den
bisher bekannten, in üblicher Weise geeichten Meßgeräten schon aufgrund der erfindungsgemäßen
Grundkonzeption insofern bezüglich der Präzision überlegen, als bei der üblichen
Eichung zwar ebenfalls von außen an den eigentlichen Meßaufnehmer herangebrachte
Eichnormale verwendet werden, beim Eichvorgang aber eine nur für diesen Augenblick
geltende Einstellung der Meßstrecke und ihrer Komponenten erfolgt, die sich anschließend
gegebenenfalls in ihren Werten verändern können, während bei der Erfindung das Eichnormal
effektiv in einen Meßwertspeicher übernommen wird und dort zur ständigen Verfügbarkeit
und wiederholten Kontrolle der Meßstrecke ansteht.
-
Bei dem Ausführungsbeipsiel der Schaltung der Fig. 1 sei angenommen
daß die Meßstrecke 22 einen Verstärker 1 umfaßt, der so beschaltet ist, daß sein
Nullpunkt und sein Verstärkungsfaktor voneinander unabhängig verstellt werden können.
Es ist ein Meßaufnehmer 5 vorgesehen, der in der Lage ist, eine beliebige physikalische
Eingangsgröße in ein elektrisches Ausgangssignal entsprechend seiner Kennlinie umzuformen.
Bei dem angenommenen Ausführungsbeispiel kann es sich um einen Temperaturgeber handeln,
der bei der Eingangs größe 0 0C ein vorgegebenes, im Grunde aber beliebiges elektrisches
Ausgangs signal von beispielsweise 5 mV erzeugt, während
das Ausgangssignal
bei 100 °C beispielsweise vom 0 °-Wert abweichend 22 mV betragen soll. Im folgenden
wird der 0 O-Wert mit 0 %; der 100 °-Wert mit 100 % bezeichnet (Vollausschlag oder
Bereich); entsprechend ergibt sich an einer am Ende der Meßstrecke angeordneten
Meßwertanzeige oder Meßwertausgabe 8, die den Meßwert in Zahlen anzeigen kann, bei
0 % der beispielsweise dreistellige Ausgangswert 000, bei 100 % die Ausgangsanzeige
100. Die dem Verstärker 1 zugeführte Eingangsgröße ist also ein analoger Spannungswert;
sie gelangt auf seinen invertierenden Eingang oder Minuseingang; der Ausgang des
Verstärkers 1 ist über einen nachgeschalteten Analog-Digitalwandler 7 zugeführt,
dessen Ausgang mit der Meßwertausgabe 8 verbunden ist. Die Meßstrecke ist hierdurch
vervollständigt; die anderen Schaltungselemente sind Teil der Eichschaltung.
-
Zur Einstellung des Nullpunktes sowie des Verstärkungsfaktors des
Verstärkers 1 sind Einstellmittel vorgesehen, die von einer zentralen, vorzugsweise
elektronischen Steuerschaltung 9 beaufschlagt werden. Bei den Einstellmittels für
den Nullpunkt handelt es sich um einen weiteren Digital-Analogwandler 3, dessen
Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 verbunden ist. Der
Eingang des Digital-Analogwandlers 3 ist mit der zentralen Steuerschaltung verbunden.
-
Die Beeinflussung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 1 erfolgt
über ein Stellglied 2, welches im Rückführzweig des Verstärkers 1 angeordnet ist
und beispielsweise ein einstellbarer
Widerstand sein kann; das
Stellglied 2 wird von einem Stellgliedgeber 10 beaufschlagt, der seinerseits wieder
von der zentralen Steuerschaltung 9 bedient wird.
-
Zu Zwecken der im folgenden in ihrer Funktion und in ihren einzelnen
Abfolgeschritten zu erläuternden Justierung oder Eichung ist im Einfang des Verstärkers
1 noch ein Schalter 4 vorgesehen, der von der zentralen Steuerschaltung 9 entweder
auf den Meßaufnehmer 5 oder auf einen weiteren Digital-Analogwandler 6 geschaltet
werden kann. Der zentralen Steuerschaltung zugeordnet und mit dieser korrespondierend
sind ferner noch vorgesehen eine Ablaufsteuerschaltung bzw. ein einen äußeren Eingriff
ermöglichendes und insoweit externes Schaltfeld 12 mit bestimmte Eich- und Kennlinienkorrekturvorgänge
einleitenden Programm- oder Schalttasten 13, ein Arbeitsspeicher 15, ein Programmspeicher
14 sowie schließlich ein Meßwertspeicher 11, der eine besondere Bedeutung hat. Da
die Bedienung und Zuordnung der Schaltungselemente 3, 6, 10, 11, 12 sowie schließlich
14 und 15 zur zentralen Steuerschaltung im digitalen Rahmen verlaufend vorgesehen
ist, sind die Verbindungsleitungen jeweils so bezeichnet, daß es sich um Mehrdrahtverbindungen
handeln kann, über die parallel entsprechende binär codierte Wörter oder Daten zu
den einzelnen Speichern, Wandlern oder Stellgliedern gelangen können. Schließlich
ist noch eine Verbindungsleitung 23 zwischen dem Ausgang des die Meßwertausgabe
8 bedienenden Analog-Digitalwandlers 7 und dem zentralen Steuerwerk 9 vorgesehen.
Das zentrale Steuerwerk kann, wie im folgenden bei der Beschreibung des Funktionsablaufs
der Justier- und Eichvorgänge verständlich wird, als ein aus diskreten
Schaltelementen
aufgebautes und bestimmte Schaltungsabfolgen steuerndes Steuerwerk ausgebildet sein;
es ist jedoch vom Bauaufwand vorteilhaft, hier auch für sich gesehen bekannte Rechner
und insbesondere die sogenannten Microprozessoren einzusetzen, wobei dann der Programmspeicher
14 einem solchen Steuerwerk oder Microprozessor selbst integriert sein kann und
den Ablauf der Steuerung sowie die den Meßwerten entsprechenden Zahlenwerte nicht
löschbar (als ROM) enthält. Der Arbeitsspeicher 15 wird für flüchtige Daten benötigt,
während der Meßwertspeicher 11 der Niederlegung von für die Erfindung besonders
bedeutsamen und Meßnormalen entsprechenden Daten vorgesehen ist.
-
Die Funktion des erfindungsgemäßen Meßgeräts mit automatisiertem Abgleich
wird im folgehden anhand eines Eichvorgangs erläutert. Der Meßbereich sei 100 °C,
die kleinste Einheit 1 OC, dem Endwert entspricht die Zahl 100; diese Zahlen sind
im Programmspeicher 14 festgelegt.
-
Nachdem die Gesamtschaltung auf elektrisch einwandfreie Funktionen
überprüft worden ist, wird das Gerät in der Weise justiert, daß der Meßwertgeber
bei Anlage des Schalters 4 in der in Fig. l dargestellten gezeichneten Position
entlastet wird, d. h. im speziellen Fall der Temperaturmessung wird extern der Meßwertgeber
mit der Meßnormalen 0 OC beaufschlagt. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Geräts
auf eine Druck- oder Gewichtsbestimmung, beispielsweise mit
Dehnungsmeßstreifen,
wird dann kein Gewicht aufgelegt. Anschließend wird eine erste Schalttaste 13a für
den 0 7'O-Wert der Eingangsåblaufsteuerschaltung 12 betätigt und den für die Eichung
zuständigen Teilbereich des erfindungsgemäßen Geräts auf diese Weise mitgeteilt,
daß die automatische Nullpunkteinstellung durchzuführen ist. Es erfolgt dann zunächst
von der zentralen Steuer schaltung 9 eine Einstellung der Verstärkung am Stellglied
2 über den Stellgliedgeber 10 auf einen angenommenen Mittelwert. Anschließend variiert
die Steuerschaltung 9 den von ihr beeinflußbaren Informationseingang des ersten
Digital-Analogwandlers 3 so lange, bis der von ihr ständig überwachte Ausgang des
Analog-Digitalwandlers 7 den Zahlenwert 000 meldet. Es handelt sich hierbei um einen
für sich selbst gesehen speziellen Regelvorgang, wobei der zentralen Steuerschaltung
der Sollwert vom Programmspeicher 14 und der Istwert vom Ausgang des Analog-Digitalwandlers
7 vermittelt wird.
-
Sobald der Nullpunkt des Geräts bei mit diesem Meßwert präzise beaufschlagten
Meßwertgeber 5 genau eingestellt ist, wird der diesem Zustand entsprechende Informationseingang
des Digital-Analogwandlers 3 an einem vorgegebenen Punkt oder in einer vorgegebenen
Zelle, angenommen beispielsweise in der Zelle AA des Arbeitsspeichers 15 abgelegt
und bleibt am Eingang des Digital-Analogwandlers 3 verhalten, so daß der Ausgang
des Analog-Digitalwandlers 7 nach wie vor den Zahlenwert 0q0 meldet.
-
Im nächsten Schritt wird der Schalter 4 am Eingang des Verstärkers
1 auf den Ausgang des Digital-Analogwandlers 6 gelegt und die zentrale Steuerschaltung
9 variiert nun den Informationseingang dieses Digital-Analogwandlers 6 so lange,
bis der Ausgang des.Analog-Digitalwandlers 7 erneut den Zahlenwert 000 abgibt.
-
Auch dies ist wieder ein im Grunde dem vorherigen-Abgleichvor gang
entsprechender Regelvorgang, wobei die Regelabweichung bei nunmehr unverändert gehaltenem
Informationseingang des Digital-Analo gwandlers 3 (Nullpunktjustierung eingestellt)
wie -derum gebildet wird atis dem Sollwert des Programmspeichers 14 und dem Istwert
am Ausgang des Analog-Digitalwandlers 7.
-
Sobald der Ausgang des Analog-Digitalwandlers 7 nunmehr erneut den
Zahlenwert 000 abgibt, entspricht die in diesem Augenblick am Eingang des Digital-Analogwandlers
6 digital anstehende Information genau dem Ausgang des unbelasteten, d. h. den 0
%-Wert aufweisenden Meßaufnehmers 5. Diese Information am Eingang des Digital-Analogwandlers
6 wird jetzt in den Meßwertspeicher 11 einprogrammiert, beispielsweise in die Zelle
MA. Der Meßwertspeicher 11 ist nicht flüchtig; er ist so ausgebildet, daß er die
einprogrammierte Information auch nach Ausfall der Betriebsspannung behält. In der
Zelle MA des Meßwertspeichers steht somit eine Information die - jederzeit abrufbar
- dem Ausgangs signal des unbelasteten Meßaufnehmers entspricht und die insoweit
meßnormalgleich ist.
-
Da bei Eichung üblicherweise lediglich auf Nullwert und Bereich (100
%) geeicht wird, wird nach Speicherung der 0 %-Information als Meßnormal im Meßwertspeicher
11 für die Bereichseichung
eine weitere Taste 13b (100 zog betätigt
bei gleichzeitiger Zuführung der diesem Endwert entsprechenden Belastung des Meßaufnehmers,
beim Anwendungsbeispiel entsprechend einer Beaufschlagung von 100 C. Hierdurch ergibt
sich vom Prpgrammspeicher 14 aus für die Steuerschaltung 9 der neue Sollwert 100;
das Steuerwerk legt zunächst den Schalter 4 wieder auf den Ausgang des Meßaufnehmers
5 und variiert anschließend zur eigentlichen Eichung die (digitale) Eingangsinformation
des Stellgliedgebers 10 so lange, bis am Ausgang des Analog-Digitalwandlers 7 der
Zahlenwert 100 abgegeben wird. Der diesem Zustand entsprechende Informations eingang
am Stellgliedgeber 10 wird wiederum im Arbeitsspeicher 15, beispielsweise in dessen
Zelle AB- abgelegt und bleibt am Eingang des Stellgliedgebers 10 erhalten. Anschließend
wird der Schalter 4 wieder auf den Ausgang des Digital-Analogwandlers 6 gelegt und
wie weiter vorn schon mit Bezug auf die Nullpunkteinstellung im einzelnen erläutert,
die (digitale) Eingangsinformation des Digital-Analogwandlers 2 wiederum so lange
variiert, bis am Ausgang des Analog-Digitalwandlers 7 der Zahlenwert 100 abgegeben
wird. Damit entspricht die in diesem Augenblick am Eingang des Digital-Analogwandlers
6 anstehende Information genau dem Ausgangssignal des mit Vollast beaufschlagten
Meßaufnehmers; die Information wird in dem Meßwertspeicher 11>. beispielsweise
in die Zelle MB einprogrammiert, so daß in diesem nunmehr nicht flüchtig und jederzeit
abrufbar die Informationen anstehen, die dem Ausgangssignal des unbelasteten und
voll belasteten Meßaufnehmers 5 entsprechen. Die an den Eingängen des Digital-Analogwandlers
3 und des Stellgliedgebers
10 anliegenden digitalen Informationen
werden nicht mehr geändert; sie sind im Arbeitsspeicher 15 in dessen Zellen AA und
AB gespeichert; Verstärkungsfaktor und Nullpunkt des Verstärkers bleiben fest eingestellt
und die vollständige Meßeinrichtung ist justiert. Obwohl dese Maßnahmen schon eine
wesentliche erfinderische Merkmalskombination umfas sen, ist bei vorliegender Erfindung
darüber hinausgehend von besonderer Bedeutung, daß im Meßwertspeicher 11 praktisch
Meßnormale abgelegt sind und daß es daher möglich ist, wiederholt die Justierung
oder Eichung automatisch zu kontrollieren und gegebenenfalls nachzustellen. Dies
kann in periodischen Zeitabständen, beispielsweise unter Zwischenschaltung eines
Zeitgebers erfolgen, etwa jede Minute oder auch nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl
von Meßvorgängen, beispielsweise kann so ein erneuter Nullpunktabgleich nach jeweils
50 Meßvorgängen und ein Abgleich des Verstärkungsfaktors nach weiteren 50 Meßvorgängen
erfolgen. Es ist sinnvoll, die Nachkontrolle jedenfalls auch immer dann zwangsläufig
einzuleiten, wenn die Meßeinrichtung wieder eingeschaltet wird. Der Ablauf dieser
automatischen Justierungs-Korrektur ergibt sich dann wie folgt.
-
Vom Meßwertspeicher 11 aus, nämlich von dessen Zelle MA wird auf den
Eingang des Digital-Analogwandlers 6 von der Steuerschaltung 9 die dem Nullpunkt
(0 %) entsprechende digitale Information gelegt. Der Schalter 4 legt den Eingang
des Verstärkers 1 auf den Ausgang des Digital-Analogwandlers 6, wobei der Stellgliedgeber
10 entweder in seiner vorherigen,
justierten Position verbleibt
oder der Verstärkungsfaktor über das Stellglied 2 auch auf einen Mittelwert festgelegt
werden kann. Anschließend wird die Eingangsinformation am Digital-Analogwandler
3 für den Nullpunktabgleich wiederum so lange vom Steuerwerk 9 variiert, bis der
Ausgang des Analog-Digitalwandiers 7 dem Zahlenwert 000 entspricht. Die jetzt am
Digital-Analogwandler 3 anstehende Eingangsinformation repräsentiert dann hochgenau
wieder den Nullpunkt und wird in die Zelle AA des Arbeitsspeichers 15 abgelegt unter
Löschung der bisherigen, dort befindlichen Information, und bleibt gleichzeitig
am Eingang des Digital-Analovandlers 3 erhalten.
-
Anschließend wird für die Vollast (100 %) die entsprechende Information
aus der Zelle MB des Meßwertspeichers 11 auf den Eingang des Digital-Analo guandlers
6 gelegt bei beibehaltener Schalterstellung, die den Ausgang dieses Wandlers mit
dem Eingang des Verstärkers verbindet. Es wird dann von der zentralen Steuerschaltung
9 wiederum die Eingangsinformation des Stellgliedgebers 10 so lange verändert, bis
der Ausgang des AnalogfflDigitalwandlers 7 den Zahlenwert 100 annimmt.
-
Die in diesem Zustand am Eingang des Stellgliedgebers 10 anliegende
Information wird wieder der Zelle AS des Arbeitsspeichers 15 zugeführt und bleibt
für die nachfolgenden Messungen, wobei dann der Schalter 4 wieder den Ausgang des
Meßaufnehmers.5 mit dem Eingang des Verstärkers 1 verbindet, erhalten.
-
Man erkennt, daß durch die beispielsweise periodisch in sinnvollen
Zeitabständen wiederholbare Nachjustierung eine hohe
Präzision
des Meßgeräts erreicht wird unter Anpassung an die den jeweiligen Umweltbedingungen
erforderlichen Werte für den Nullpunkt und den Verstärkungsfaktor des Verstärkers
oder des Übertragungsfaktors der Meßstrecke. Dieser Nachabgleich ist möglich durch
die in den Zellen MA und MB des Meßwertspeichers 11 befindlichen Inforin ationswerte.
Dieser Meßwertspeicher 11 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein elektrisch
programmierbarer, nicht flüchtiger Speicher, dessen Speicherinhalt aber dennoch
elektrisch überschrieben, also neu programmiert werden kann. Es handelt sich hierbei
um einen sogenannten EEPROM (electrically erasable and programmable read only memory
= elektrisch löschbarer und programmierbarer Lesespeicher).
-
Man erkennt ferner, daß auf der Basis der erfindungsgemäßen Grundkonzeption
bezüglich der Eichung auch und in besonders vorteilhafter Weise eine Korrektur einmal
der Mleßaufnehmer-Kennlinie und zum anderen aber auch eine Fehlerkorrektur des Meßaufnehmers
selbst vorgenommen werden kann, wenn dieser beispielsweise in seinen Ausgangswerten
von einer weiteren Variablen abhängig ist. Hierauf wird im folgenden eingegangen.
-
Zur Kennlinienkorrektur kann beispielsweise so vorgegangen werden,
daß man zusätzlich zu den Schalttasten 13a und 13b für Null und Bereich der externen
Ablaufsteuerschaltung 12 noch weitere Schalttasten zuordnet, die beispielsweise
den Meßaufnehmer-Eingängen bei Belastung 5 o10, 10 0-0 .. . in beliebig feiner Unterteilung
entsprechen können. Da verfügbare
Speicher und insoweit auch der
Meßwertspeicher 11 über eine Vielzahl von Speicherzellen verfügen, ist es möglich,
nichtlinear verlaufende Kennlinien von Meß aufnehmern insoweit geradezu -biegen,
also zu linearisieren, daß im Meßwertspeicher ergänzend noch Hilfswerte der Kennlinie
in weiteren Zellen MC, MB usw., beispielsweise also für 5 O/o, 10 % usw. abgelegt
werden.
-
Hierzu wird so vorgegangen, daß bei beibehaltenem Nullpunkt-und Verstärkungsfaktor
-Abgleich durch aufeinanderfolgende 5 Schließen der Schalter 13c für die Kennlinienhilfswerte
(5 qro, 10 %, 15 15 . ...) praktisch ein ähnlicher Vorgang wiederholt wird, wie
er schon für die Eichung bei Nullpunkt und Bereich vorgenommen worden ist. Es wird
also der Schalter 13c für den 5 %-Hilfswert der Kennlinie geschlossen, es wird der
Meßaufnehtner 5 3illit einem 5 %Wert der zu messenden physikalischen Eingangs größe
"belastet", d. h. er wird beispielsweise einer Temperatur von 5 OC ausgesetzt und
die Zwischenhilfswerte der Kennlinie werden in weiteren Zellen MC, MC ...
-
in den Meßwertspeicher 11 übernommen, so wie sie sich als Zahlenwerte
am Ausgang des Analog-Digitalwandiers 7 ergeben. Demnach steht dann beispielsweise
im Meßwertspeicher 11 die tatsächliche Kennlinie des Meßaufnehmers zur Verfügung,
während der Programmspeicher 14 über den linearen Verlauf, also den Sollverlauf
der Kennlinie orientiert ist dahingehend, daß eben bei 5 % entsprechend 5 °C ein
Zahlenwert von 5 am Ausgang des Analog-Digitalwandlers vorliegen muß. Tatsächlich
ergibt sich aber am Ausgang des Analog-Digitalwandlers 7 beispielsweise nur eine
Ausgangsinformation von angenommen 4, 85, welche Ausgangsinformation dann auf der
Basis der im
Meßwertspeicher 11 und im Programmspeicher 14 gespeicherten
Werte rechnerisch korrigiert werden kann. Erst nach dieser rechnerischen Korrektur
wird die Ausgangsinformation auf die Meßwertausgabe 8 geschaltet. Zu diesem Zweck
ist es sinnvoll, wie in Fig. 2 gezeigt, den Eingangsanschiuß der Meßwertausgabe
8 mit einem entsprechenden Ausgang der zentralen Steuerschaltung 9 zu verbinden,
damit die rechnerische Korrektur durchgeführt werden kann, gegebenenfalls auch unter
Zwischenschaltung eines zusätzlichen Interpc)latiwnswerkes 2t, da nicht immer erwartet
werden kann, daß die jeweiligen effektiven Meßdaten genau auf den Punkten liegen,
die im Kennlinienverlauf im Meßwertspeicher 11 abgelegt sind. Korrekturberechnungen,
auch mit Interpolation, sind für sich gesehen eine bekannte Maßnahmen und auch hinreichend
genau, wenn der nichtlineare Verlauf der' Kennlinie, so wie er gemessen worden ist,
einigermaßen stetig ist und die aktuelle Kennlinie des jeweiligen Meßaufnehmers
ausreichend engstufig aufgenommen wordeii ist, naher braucht hierauf nicht näher
eingegangen zu werden.
-
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 enthält zusätzlich noch zwei weitere
Varianten, und zwar anstelle des Stellgliedes 2 in der Verstärkerrückführung einen
in die Meßstrecke vor oder nach dem Verstärker eingeschalteten Multiplizierer 16,
der vom Stellgliedgeber in seinem Multiplikationsfaktor beeinflußt wird.
-
Man erkennt, daß es auch auf diese Weise möglich ist, den Verstärkungsfaktor,
der in diesem Fall besser als Übertragungsfaktor bezeichnet wird, mit Hilfe des
Multiplizierers 16 entsprechend abzugleichen oder zu justieren.
-
Schließlich ist es unter Beibehaltung der bisher geschilderten Baukomponenten
entsprechend der Ausführungsform der Fig. 2 noch möglich, Fehler des Meßaufnehmers
5 selbst zu korrigieren, die beispielsweise bei Gasanalysatoren dadurch entstehen,
daß der Meßaufnehmer noch von weiteren Variablen, beispielsweise von der Temperatur,
zusätzlich abhängig ist. Eine solche Fehlerkorrektur ist durch die Einführung eines
Hilfsgrößengebers 17 (Fig. 2) möglich, der bei dem angenommenen Ausführungsbeispiel
eine Information über die Temperatur des ersten Meßaufnehmers 5 über einen zusätzlichen
Analog-Digitalwandler 18 für die Hilfsgröße an die zentrale Steuerschaltung 9 weiterleitet.
-
Die Justierung oder die Eichung des Meßgeräts wird dann im Grunde
wie weiter vorn beschrieben vorgenommen; sie erfolgt jedoch bei unterschiedlichen
Werten der mindestens einen zusätzlichen Variablen, hier also bei unterschiedlichen
Temperaturen. Es werden daher in den Meßwertspeicher 11 im Falle des Nullpunktabgleichs
für das Ausgangs signal des unbelasteten Meßaufnehmers 5 bei den Temperaturen T1,
T2, T3 ... in den Zellen MAST1, MA T2' MA T3 ... entsprechende Informationen abgelegt.
In gleicher Weise geschieht das mit dem Ausgangssignal des auf 100 % belasteten
Meßaufnehmers 5; diese Informationen gelangen in die Zellen MBTl, MB T2 ... des
Meßwertaufnehmers 11. Hierdurch ist es möglich, das Meßergebnis stets vor Ausgabe
durch rechnerische Verknüpfung mit dem Ausgangssignal des Hilfsgrößengebers 17 zu
korrigieren. Es versteht sich, daß es sinnvoll sein kann, im Falle der weiter
vorn
schon erläuterten Korrektur von nichtlinearen Kennlinien gegebenenfalls auch bei
den Zwischenwerten 5 %, 1Q atO, 15 % der Kennlinie noch jeweils Hilfsgrößen der
zusätzlichen Variablen für die Fehlerkorrektur des Meßaufnehmers im Meßwertspeicher
11 zu speichern.
-
Eine weitere Ausgestaltung vorliegender Erfindung läßt sich der Darstellung
der Fig. 3 entnehmen; es stellt eine bevorzugte Möglichkeit innerhalb des erfindungsgemäßen
Rahmens dar, Nullpunkt und Verstärkungsfaktor bzw. Übertragungsfaktor rein digital
zu beeinflussen, was insbesondere dann sinnvoll sein kann, wenn der Meßaufnehmer
ein entsprechend großes Ausgangssignal liefert. In diesem Fall wird das Ausgangs
signal des Meßaufnehmers 5 zunächst in einem diesem unmittelbar nachgeschalteten
Analog-Digitalwandler 19 digitalisiert. Der Nullpunkt wird dann dadurch beeinflußt,
daß dem Ausgangswert dieses Analog-Digitalwandlers 19 in einem ihm nachgeschalteten
Ad die rwe rk 20 ein Korrektursignal vom Digital-Analogwandler 3 entweder hinzuaddiert
oder vom Ausgangswert subtrahiert wird. Das Korrektursignal ist das durch die Eichung
des Nullpunkts gewonnene digitale Wort, welches ständig am Eingang des Digital-Analogwandlers
3 von der zentralen Steuerschaltung 9 aus anliegt und auch im Arbeitsspeicher 15
zwischenzeitlich gespeichert ist.
-
Die Beeinflussung des Übertragungsfaktors der Meßstrecke wird, wie
schon bei der analogen Ausführungsform der Fig. 2 kurz angedeutet, mit I-lilfe eines
Multiplizierwerkes 21 vorgenommen, wobei die Au sgangsinform ation dieses Multiplizie
rwerkes
dann unmittelbar'den Meßwert bildet, welcher rechnerisch
wie weiter vorn schon beschrieben,etwa bei nichtlinearen Kennlinien des Meßaufnehmers
oder bei zusätzlichen Abhängigkeiten des Meßaufnehne rs von weiteren Größen, nachbehandelt
werden kann; daher ist der Ausgang des Muliplizierwerks 21 mit der zentralen Steuerschaltung
9 verbunden, die eine entsprechende Nachberechnung veranlaßt und dann die ihr unmittelbar
nachgeschaltete Meßwertausgabe 8 mit dem korrigierten Ausgangswert beaufschlagt.
-
Es ist möglich, zusätzlich zu den im Meßwertspeicher 11 abgebildeten
Quasi-Meßnormalen auch die Werte für die Nullpunkteinstellung (entsprechend Zelle
AA des Arbeitsspeichers 15) bzw. für den Verstärkungs- oder Übertragungsfaktor (Zelle
AB des Arbeitsspeichers 15) bei der jeweiligen Justierung oder Eichung in weiteren
Zellen des Meßwertspeichers 11 einzugeben. Im Falle einer Korrektur der Justierung
brauchen dann lediglich noch die Abweichungen von dem einmal festgelegten Idealwert
bestimmt und im Arbeitsspeicher festgehalten werden.
-
Es versteht sich natürlich, daß die erfindungsgemäße Grundkonzeption
auch die äußere Neujustierung bzw. Eichung in festgelegten, größ größeren Zeitabständen
problemlos erlaub, die sich ja von der periodisch vorzunehmenden Korrektur der Justierung
auf der Basis der im Meßwertspeicher abgelegten Quasi-Meßnormalen unterscheidet.
-
So kann jederzeit eine neue Eichung durch Niederdrücken entsprechender
Schalttasten
13 und "Belasten" des Meßaufnehmers 5 mit realen Meßnormalen vorgenommen werden;
nachdem dann durch Umschalten des Schalters 4 auf den Ausgang des Digital-Analogwandlers
6 an diesem von der Steuerschaltung 9 eine Digitalinformation angelegt ist, die
identisch den gleichen Ausgangswert an der Meßwertausgabe 8 erzeugt wie das reale
Meßnormal, welches dem Meßaufnehmer 5 zugeführt ist, wird dieses digitale Wort als
neues Quasi-Meßnormal in den Meßwertspeicher 11 übernommen, dessen entsprechende
Zellen dann bei der jeweiligen neuen Eichung mit der neuen Information überschrieben
werden.
-
Bezüglich der an die Schaltungskomponenten zu stellenden Genauigkeitsanforderungen
wird noch auf folgendes hingewiesen.
-
Der Analog-Digitalwandler 7 muß linear sein und sein Auflö sungsvermö
gen sollte grundsätzlich über dem Auflösungsvermögen der gesamten Meßeinrichtung
liegen; da aber der Analog- Digitalwandle r 7 in der übL rpr tifte n Meßstrecke
liegt, wird er auch automatisch nachgestellt und kontrolliert. In die Genauigkeit
des Meßgeräts geht ferner die Genauigkeit des Digital-Analogwandlers 6 ein; funktionell
kann dieser jedoch, wie weiter vorn schon einmal erwähnt, sehr langsam sein, so
daß möglich ist, solche Digital-Analogwandler vergleichsweise kostengünstig zu erstellen
Sehr langsame, aber hochpräzise Digital-Analogwandler lassen sich beispielsweise
auf der Basis einer Pulsdauermodulation realisieren. Auch das Auflösungsvermögen
im Sinne von Feinfühligkeit des Stellgliedes 2 muß über dem der Gesamteinrichtung
liegen; dies
ist jedoch technisch ohne größeren Aufwand möglich,
beispielsweise wenn man den Widerstand im Rückführzweig des Verstärkers 1 durch
einen als Widerstand geschalteten FET realisiert.
-
Um die erfindungsgemäße Schaltung bei solchen Meßeinrichtungen einsetzen
zu können, die der Eichpflicht unterliegen, kann es empfehlenswert sein, die Speicherzellen,
welche die Quasi-Meßnormalen beinhalten, mehrfach vorzusehen und gegebenenfalls
in unterschiedlichen Bauelementen zu verteilen. Die Speicherbausteine des Meßdatenspeichers
sowie die Schalttasten der Ablaufsteuerschaltung 12 sollten-gegen Tausch bzw. Betätigung
geschützt sein. Diese Maßnahmen sind ohne weiteres möglich.