DE3632672A1 - Anordnung zur bestimmung eines durchschnittswertes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Anordnungen werden in der Meßtechnik immer dann benötigt, wenn der Mittelwert als Quotient aus einer abhängigen und einer unabhängigen Variablen interessiert; wie beispielsweise der Ver­ brauch von Betriebsmitteln in Abhängigkeit vom Ausstoß einer Fer­ tigungsanlage oder eine Durchschnittsgeschwindigkeit als Quotient aus durchmessener Strecke und verflossener Zeit. Wenn in derartigen Fällen aus zwei Meßgrößen eine dritte, bezogene Größe durch Quotienten­ bildung ermittelt werden soll, ist eine möglichst hohe Meßempfindlich­ keit anzustreben, damit schon bei kleinen Werten der unabhängigen Variablen ausreichende Genauigkeiten, also brauchbare Durchschnitts­ wert-Resultate erzielt werden können. Andererseits akkumuliert sich über größere unabhängige Variable die abhängige Variable auf einen so großen Meßwert, daß analoge Verarbeitungsschaltungen aus dem nicht-linearen Kennlinienbereich heraus in die Sättigung ausgesteuert werden können, während digitale Informationsverarbeitungen zu derart großen Zahlenwerten führen, daß diese mit einfachen technischen Schaltungsmitteln oft nicht mehr vernünftig handhabbar sind, weil z.B. die digitalen Rechenoperationen zu viel Zeit beanspruchen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn über die Gesamtlebensdauer einer Maschine (etwa eines Kraftfahrzeugs) der durchschnittliche Betriebsmittelverbrauch beobachtet oder aufgezeichnet werden soll.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung gattungsgemäßer Art zu schaffen, die bereits nach sehr kurzen Spannen der unabhängigen Variablen ein Durchschnitts­ wert-Ergebnis guter Genauigkeit liefert und trotz der dafür erforder­ lichen großen Meßauflösung auch nach großen Spannen der unabhängigen Variablen keinen Informationsverlust durch Sättigungserscheinungen oder numerische Rundungsfehler erbringt; also über extrem weite Spannen der unabhängigen Variablen bei Änderungen einer Variablen auch schon kleine Einflüsse auf den Quotienten im Durchschnittswert erkennbar werden läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen An­ ordnung dadurch gelöst, daß sie gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Die Lösung stellt also gewissermaßen eine mit dem inkrementalen Anwachsen der unabhängigen Variablen quasi-kontinuierlich reduzierte Empfindlichkeit der Quotientenbildung dar. Der als Quotient vor­ liegende Durchschnittswert wird in seiner Genauigkeit dadurch aber nicht beeinträchtigt, wenn beim Anwachsen einer der Variablen über einen schaltungstechnisch gegebenen Grenzwert hinaus sowohl der akkumulierte Dividend wie auch der akkumulierte Devisor für die Quotientenbildung um einen gemeinsamen Faktor vermindert werden, der dann künftig auch als Divisor auf die Meßwertgewinnung angewandt wird. Die Division des aktuellen Meßwertes um diesen Faktor ist auch in digitaler Schaltungsrealisierung unkritisch, weil lediglich der ganzzahlige Anteil des Meßwert-Quotienten berücksichtigt werden muß und Rundungsfehler dadurch vermieden werden können, daß der aus der Division verbleibende Bruchteil wieder in das zählende Meß­ gerät zurückgeschrieben wird, bei der Meßwertgewinnung also nicht verloren geht.

Im Falle digitaler Schaltungsrealisierung erfolgt die Division der aktuellen Meßwerte zweckmäßigerweise durch ein Dividierwerk, dem der Divisor aus einem Zähler zugeführt wird, so daß keine Rundungs­ fehler den aktuellen Meßwert verfälschen können. Dagegen werden die binärkodierten akkumulierten Variablen zweckmäßigerweise einfach durch Verschieben des Inhalts von Schieberegistern heruntergeteilt, da der Divisor für die Reduzierung der aktuellen und der akkumulierten Meßwerte frei wählbar ist.

Wenn die exakte Durchschnittswert-Bestimmung weniger interessiert, als der Einfluß der jüngeren Meßwert-Vergangenheit gegenüber der älteren Vorgeschichte, dann braucht lediglich der Divisor für den aktuellen Meßwert weniger stark als derjenige für die akkumulierten Variablen vergrößert zu werden. Wenn der Divisor für den aktuellen Meßwert überhaupt nicht mehr mitgeführt wird, ist die erfindungsge­ mäße Anordnung praktisch über eine unbegrenzte Spanne der unabhängigen Variablen einsetzbar, weil kein Register-Überlauf auftreten kann, wenn die Division der akkumulierten Variablen durch Registerstellen-Ver­ schiebung der binärkodierten Information erfolgt.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung zweier in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierter bevorzugter schaltungstechnischer Realisierungsbeispiele zur er­ findungsgemäßen Lösung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchschnittswert-Bestimmung in analoger Signalverarbeitungs-Schaltungstechnik und

Fig. 2 eine entsprechende Anordnung in digitaler Signal­ verarbeitungs-Schaltungstechnik.

Die Blockschaltbild-Darstellung der Fig. 1 zeigt je einen Signalver­ arbeitungskanal 11.1 und 11.2 für eine abhängige und für eine unab­ hängige Meßgröße 12.1, 12.2 im Sinne oben erläuterter Beispiels- Variabler, die mittels Fühlern 13.1, 13.2 erfaßt werden. Das den Fühlern 13 jeweils nachgeschaltete integrierende Meßgerät 14.1 bzw. 14.2 ist jeweils als Operationsverstärker 15 mit kapazitiver Gegen­ kopplung 16 hinter dem Eingangswiderstand 17 skizziert. Im Interesse der Übersichtlichkeit der Blockschaltbild-Darstellungen sind Abtast- Halteglieder zur eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen entkoppelnden Informationsübernahme bzw. -übergabe in der Zeichnung nicht darge­ stellt.

Initialisiert über eine Steuerschaltung 18 wird nach einer gewissen Meßzeitspanne der aktuelle Meßwert 19.1 bzw. 19.2 am Ausgang des Meßgerätes 14.1 bzw. 14.2 abgefragt, indem er über einen Schalter 20.1 bzw. 20.2 auf einen saldierenden Speicher 21.1 bzw. 21.2 über­ tragen wird, der im Prinzip den gleichen Aufbau wie die Meßgeräte 14 aufweisen kann. Damit können nun die Meßwerte 19 gelöscht werden, indem die Meßgeräte 14 wieder in ihre Meßanfangsstellung zurückgesetzt werden, was in der Zeichnung symbolisch durch einen Entladeschalter 22 für die kapazitive Gegenkopplung 16 des Verstärkers 15 dargestellt ist. Wenn diese Rückführung des Meßgerätes 14 in die Betriebsanfangs­ stellung nach Übergabe des aktuellen Meßwertes 19 hinreichend oft erscheint, ist sichergestellt, daß der Verstärker 15 nicht bis in die Sättigung ausgesteuert, das Meßgerät 14 also mit der Meßgröße 12 nicht übersteuert werden kann. Bei stark schwankendem oder unbe­ kanntem Verhalten der Meßgröße 12 kann (wie in Fig. 1 gestrichelt berücksichtigt) vorgesehen sein, dem jeweiligen Ausgang der Meßgeräte 14.1 und 14.2 einen Grenzwertmelder 23.1 bzw. 23.2 nachzuschalten, die über ein ODER-Glied 24 die Steuerschaltung 18 zur Meßwertübernahme und Rückführung des Meßgeräte 14 in die Funktionsanfangsstellung aktivieren, wenn in einem der Kanäle 11 der Meßwert 19 die Über­ steuerungsgrenze zu erreichen droht.

Den saldierenden Speichern 21.1 und 21.2 ist ein Dividierer 25 nachge­ schaltet, der in Form eines Quotienten den aktuellen Durchschnitts­ wert 26 des saldierten Meßergebnisses 27.1 für die abhängige Variable über dem saldierten Meßergebnis 27.2 der unabhängigen Variablen ausgibt. Diese Ausgabe ist insofern nur quasi-kontinuierlich, als die aktuell auf den Dividierer 25 geschalteten Meßergebnisse 27 nur den jeweiligen Saldo nach der jüngsten Meßwertübernahme darstellen, also noch nicht den zusätzlich am Meßgerät 14 neu aufgelaufenen Meßwert 19 berücksichtigen. Der Grad dieser Diskontinuität läßt sich über die Steuerschaltung 18 einstellen, also über die Folge­ frequenz der Übernahme aktueller Meßwerte 19 in die saldierenden Speicher 21.

Auch die Kapazität der saldierenden Speicher 21 ist nicht unbegrenzt. Entsprechend den Meßgeräten 14 werden deshalb auch diese in ihre Anfangsstellung zurückgesetzt, wenn Grenzwertmelder 28.1 bzw. 28.2 ansprechen, nachdem das jeweilige aktuelle saldierte Meßergebnis 27.1 bzw. 27.2 über Schalter 29.1 bzw. 29.2 in zugeordnete Reduzier­ stufe 30.1 bzw. 30.2 übergeben wurde. In diesen wird das jeweilige Meßergebnis 27 auf einen Bruchteil des aktuellen Wertes vermindert, und der jeweilige Speicher 21 wird auf diesen reduzierten Meßwert 31.1 bzw. 31.2 als die künftig mittels des Dividierers 25 zu ver­ arbeitenden Meßergebnisses 27.1/27.2 gesetzt. Dieser Reduktions­ vorgang ist im Prinzip-Blockschaltbild der Fig. 1 für die Reduzier­ stufe 30 durch einen Operationsverstärker 15 mit ohmscher (proportionaler) Beschaltung 32 veranschaulicht, die jedesmal dann um einen weiteren Schritt reduziert wird, wenn einer der Meßergebnis-Grenzwertmelder 28 über einen ODER-Eingang 33 die Steuerschaltung 34 zur Meßergebnis-Re­ duktion angesteuert hat.

Damit trotz dieser Reduktion des saldierten Meßergebnisses 27 die Relation in Bezug auf die Eingangsgröße des Speichers 21, also in Bezug auf den Meßwert 19 wieder stimmt, ist jedem Meßgerät 14.1, 14.2 eine entsprechende Reduzierstufe 35.1 bzw. 35.2 nachgeschaltet. Da in jedem der beiden Kanäle 11.1 und 11.2 die gleiche Meßwert- Reduktion vorgenommen wird, ist das ohne Auswirkung auf den vom Dividierer 25 ermittelten Durchschnittswert 26.

Grundsätzlich ist es möglich, nur einen Teil des jeweiligen Meßwertes 19 über die Reduzierstufe 35 an den zugeordneten saldierenden Speicher 21 zu übertragen, wie in Fig. 1 durch die gestrichelten Teilerstufen 36.1, 36.2 angedeutet. Der jeweils überschießende Meßwertrest 37.1 bzw. 37.2 wird auf das zugehörige Meßgerät 14.1 bzw. 14.2 rückgeführt und wird im nächsten Zyklus der Meßwertübertragung berücksichtigt, geht also für die Ermittlung des Durchschnittswertes 26 nicht verloren. Das hat beispielsweise den Vorteil, die Meßgeräte 14 nicht vom Null­ wert ab betreiben zu müssen und dadurch nicht-lineare Bereiche der Meßkennlinie vermeiden zu können.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, vereinfacht sich die schaltungstechnische Realisierung zur erfindungsgemäßen Lösung noch, wenn sie in digitaler Schaltungstechnik erfolgt. Da die Schaltungsn nach Fig. 1 und Fig. 2 hinsichtlich der Durchschnittswert-Ermittlung einander entsprechen, sind soweit wie möglich die gleichen Bezugsziffern gewählt, so daß sich deren Einzelerläuterung bei Fig. 2 erübrigt.

Die Fühler 13 liefern als Meßgrößen 12 Impulse, die in den Meßgeräten 14, aufgebaut als mehrstellige Binärzähler, aufsummiert (gezählt) werden.

Die Reduzierstufen 30 sind Schieberegister, also Speicher für Binär­ zahlen, die einfach durch Verschiebung des Speicherinhalts zur höchst­ wertigen oder zur niedrigstwertigen Stelle hin (in der üblichen Schalt-Darstellung also "nach links" bzw. "nach rechts") mit dem Wert ZWEI multipliziert bzw. dividiert werden können.

Im Interesse definierter binärkodierter Ausgangszustände setzt zu Betriebsbeginn die Steuerschaltung 18 die Meßgeräte 14 über ihre Reset-Eingänge 38 auf die Zählanfangsstellung NULL und das Schiebe­ register eines Divisorgebers 45 für die Reduzierstufe 35 auf den Wert EINS; während die Steuerschaltung 18 die Schieberegister der Reduzierstufen 30 über ihre Setzeingänge 39 bei der Dividenden-Reduzier­ stufe 30.1 auf den Anfangswert NULL und bei der Divisor-Reduzierstufe 30.2 auf den Anfangswert EINS einstellt, also am Ausgang des Dividierers 25 den Anfangs-Durchschnittswert 26 NULL bewirkt.

Bei der Übergabe der Meßwerte 19 an die saldierenden Speicher 21 erfolgt in den Reduzierstufen 35 eine digitale Division durch die aktuell vom Datenausgang des Schieberegister-Gebers 45 gelieferte Zahl als dem Divisor. Eine Modulo-Stufe 41 (die insofern funktionell den Aufteilstufen 36 nach Fig. 1 entspricht) liefert allerdings nicht das vollständige Divisionsergebnis, sondern nur den ganzzahligen Teil des Quotienten an den saldierenden Speicher 21 (zeichnerisch dargestellt als Digital-Addierwerk); während der verbleibende Divisions-Rest als Meßwertrest 37 an den Dateneingang des zählenden Meßgerätes 14 als nunmehrige Zählanfangsstellung rückgeführt wird (so daß in den Saldo des jeweiligen Speichers 21 kein Rundungsfehler aus der digitalen Division eingeht, weil ja der Divisionsrest bei der nächsten Meßwertübergabe wieder berücksichtigt wird).

Wenn an einem der digitalen Saldierspeicher 21 (Addierwerke) am Carry-Ausgang 42 eine Überlauf-Information auftritt, wird die Steuerschaltung 34 über ihren ODER-Eingang 33 angesteuert, um für die Weiterverarbeitung angelieferter Meßwerte 19 die Reduzierinfor­ mation 43 auszugeben. Bei der Schieberegister-Realisierung der Reduzier­ stufen 30 bedeutet das die Ansteuerung deren Schiebeeingänge 4, so daß die Schieberegister-Inhalte um eine Stelle verschoben werden (Fortfall der niedrigstwertigen Stelle), was einer Halbierung des Registerinhalts entspricht. Gleichzeitig wird der Registerinhalt des Divisorgebers 45 für die Reduzierstufen 35 in dem Sinne um eine Stelle verschoben, daß die niederwertigen Stellen in die Positionen der benachbarten höherwertigen Stellen gelangen; was einer Multiplikation mit der selben Konstanten, wie im Falle der anderen Schieberegister, also einer Verdoppelung des Divisors für die Reduzierstufen 35 ent­ spricht. Damit der Überlauf an den Saldierspeichern 21 behoben wird, erfolgt also ein Überschreiben des Inhalts des Saldierspeichers 21 mit dem reduzierten Wert 31 jedesmal, wenn ein Überlauf statt­ findet; und künftig werden die Meßwerte 19 nur noch reduziert berück­ sichtigt.

Wenn die Kapazität des Divisorgebers 45 mit Schieberegister- Überlauf erschöpft ist, ist die reguläre Betriebsgrenze erreicht. Jenseits dieser Grenze kann aber im Näherungsverfahren zur Durchschnitts­ wertbestimmung weitergearbeitet werden, indem (gesteuert mittels eines Carry-Ausganges 46 am Divisorgeber 45 und eines Verknüpfungs­ gliedes 45) fortan der größte Schieberegisterinhalt beibehalten bleibt, obgleich die Schieberegister der Reduzierstufen 30 bei jedem Carry-Befehl von einem der saldierenden Speicher 21 weitergetaktet werden. Da nun also keine entsprechende Reduzierung der Meßwerte 19 mehr erfolgt, sondern diese künftig trotz Reduzierung des Saldierer­ gebnisses im Speicher 21 ungeschmälert hinzuaddiert werden, ist der resultierende Quotient des Durchschnittswertes 26 hinfort nur noch ein Näherungsergebnis, in das die jüngere Vergangenheit der Meßwertentwicklung 19 stärker als die ältere eingeht und zunehmend an Gewicht gewinnt. Das gilt natürlich entsprechend für gleiche Maßnahmen bei Reali­ sierung in analoger Schaltungstechnik gemäß Fig. 1.

Lediglich im Interesse der Übersicht sind in Fig. 2 drei individuelle Dividierwerke als die Reduzierstufen 35 und der Ausgangs-Dividierer 25 dargestellt. Da nur zu diskreten Zeitpunkten Meßwerte 19 übertragen werden, kann, gesteuert aus den Schaltungen 18 bzw. 34, auch nur ein einziges Dividierwerk vorgesehen sein, das im Multiplex-Betrieb zyklisch nacheinander den beiden zählenden Meßgeräten 14.1 und 14.2 und dann den soeben neu gespeisten saldierenden Speichern 21.1 und 21.2 zur diskontinuierlichen Ausgabe von Durchschnittswerten 26 nachgeschaltet wird. Ferner kann die digitale Schaltungsausführung nach Fig. 2 im Rahmen vorliegender Erfindung gleichermaßen durch diskrete Verdrahtung individueller Bausteine der digitalen Schaltungs­ technik wie auch im Rahmen speicherprogrammiert gesteuerter Meßwert­ verarbeitung oder mittels eines Mikroprozessors realisiert werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Bestimmung des Durchschnittswertes einer abhängig- variablen Meßgröße (12.1) über einer unabhängig-variablen Meß­ größe (12.2), die jeweils mittels eines integrierenden Meßgerätes (14.1 bzw. 14.2) erfaßt und in einem Dividierer (25) zueinander ins Verhältnis gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Meßgerät (14.1, 14.2) ein saldierenden Speicher (21.1, 21.2) zu periodischer Übernahme des Meßwertes (19.1 bzw. 19.2) unter Rücksetzung des Meßgerätes (14.1, 14.2) in eine Anfangs­ stellung nachgeschaltet ist, und daß jedem der saldierenden Speicher (21.1 und 21.2) eine Reduzierstufe (30.1 bzw. 30.2) zugeordnet ist, die das saldierte Meßergebnis (27.1 bzw. 27.2) bei Überlauf eines der Speicher um einen Faktor reduziert, mit Zurückschreiben des reduzierten Meßgerätes (31.1 bzw. 31.2) in den zugeordneten saldierenden Speicher (21.1 bzw. 21.2) an­ stelle des bisherigen, zum Überlauf geführt habenden Meßergebnisses (27.1 bzw. 27.2); wobei mit jedem Speicher-Überlauf der Reduktions- Faktor in den Reduzierstufen (30.1 und 30.2) erhöht wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Meßwerte (19.1 und 19.2) vor dem jeweiligen saldierenden Speicher (21.1 bzw. 21.2) jeweils eine Reduzierstufe (35.1 bzw. 35.2) vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierstufen (35.1, 35.2) für die Meßwerte (19.1, 19.2) mit dem gleichen bei Speicher-Überlauf jeweils vergrößerten Divisor arbeiten, wie die Reduzierstufen (30.1, 30.2) für die saldierten Meßergebnisse (27.1, 27.2).

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Rücksetzen des Meßgerätes (14.1 und 14.2) nur ein Teil des Meßwertes (19.1 bzw. 19.2) an den saldierenden Speicher (21.1, 21.2) übergeben und der Meßwert-Rest als Anfangs­ wert in das zugehörige Meßgerät (14.1 bzw. 14.2) zurückgeschrieben wird.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch setzbare Inkrementalzähler als die Meßgeräte (12.1 und 12.2), digitale Addierwerke als die saldierenden Speicher (21.1 und 21.2) für die Meßwerte (19.1 und 19.2) und schrittweise verschiebbare Schieberegister als die den saldierenden Speichern (21.1 bzw. 21.2) nachgeschalteten Reduzierstufen (30.1, 30.2) für die saldierten binärkodierten Meßergebnisse (27.1 bzw. 27.2), mit Schiebe-Steuerung aus dem Carry-Ausgang (42) eines der Speicher (21.1 oder 21.2).

6. Anordnung nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch ein digitales Dividierwerk als die jeweilige Reduzierstufe (35.1 bzw. 35.2) für die Meßwerte (19.1 und 19.2), mit einem vom Carry-Ausgang (42) der Speicher (21.1, 21.2) fort­ schaltbaren Schieberegister als Divisorgeber (45) und mit jeweils einer Modulo-Stufe (41.1 bzw. 41.2) für Übertragung des ganz­ zahligen Divisionsergebnisses an den nachfolgenden saldieren­ den Speicher (21.1 bzw. 21.2) und des Divisions-Meßwertrests (37.1 bzw. 37.2) als neue Zählanfangsstellung an das zugeordnete Meßgerät (14.1 bzw. 14.2).

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Dividierwerk als Reduzierstufe (35.1 bzw. 35.2) und als Dividierer (25) für die saldierten Meßergebnisse (27.1 und 27.2) vorgesehen ist, welches im Multiplexbetrieb nacheinander mit den Meßwerten (19.1 und 19.2) sowie ihrem gemeinsamen Divisor (40) und mit den saldierten Meßergebnissen (27.1 sowie 27.2) beaufschlagt ist.