DD278642A1

DD278642A1 - Verfahren zur selbstkalibrierung von messsystemen

Info

Publication number: DD278642A1
Application number: DD32393788A
Authority: DD
Inventors: Werner Richter; Karl-Heinz Haase; Michael Horn
Original assignee: Tech Hochschule Leipzig Dfo Bf
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1988-12-27
Publication date: 1990-05-09
Also published as: DE3943386A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibrierung von Messsystemen im Labor und in der Industrie, bei dessen Anwendung die Messgroesse waehrend des Kalibriervorganges nicht abgeschaltet werden muss. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass ein Teiluebertragungsfaktor definiert variiert wird. Die Groesse der dadurch entstehenden Variation des Gesamtuebertragungsfaktors kann durch Anlegen einer Referenzmessgroesse zusaetzlich zur staendig anliegenden Messgroesse bestimmt werden. Fig. 2

Description

Allen diesen selbstkalibrierenden Meßsystemen ist das Verfahren gemeinsam, daß beim Auftreten von unbestimmten Offsetgrößen das Meßsystem zur Kalibrierung mit zwei Referenzwerten der Meßgröße beaufschlagt werden muß. Dazu muß die Meßgröße abgeschaltet werden, was aus Birkle. M.: Methoden für rechnerunterstütztes Messen in Messen Prüfen Automatisieren März 1987, S. 128-132 zu entnehmen ist.

In den meisten Fällen wird der durch Abschalten der Meßgröße ermittelte Nullpunkt als ein Referenzwerk und ein zusätzlich zur Meßgröße aufgegebener Referenzwert zur Kalibrierung benutzt. Nur in den Fällen, in denen damit gerechnet wird, daß keine meßwertverfälschten Offsetgrößen auftreten, kann auf die Abschaltung des Meßwertes verzichtet werden. Dazu wird der Meßwert mit einem meist elektrischen, thermischen oder optischen Testsignal bekannter Größe überlagert (vgl. Breimesser, F.: Konzepte für Eigentests und automatische Korrekturen in Meßeinrichtungen in Technisches Messen 53 [1986] H.4, S. 133-137). Der Vorgang der Selbstkalibrierung bezieht sich nach Herold, H.: Kompromisse von Genauigkeit, Grenzfrequenz, Dauer und Häufigkeit bei der automatischen Selbstkalibrierung in msr 30 (1987) H.9, S.394-397 dann nur auf den Übertragungsfaktor des Meßsystems.

Bei Olowski, W.: Automatisches Kalibriersystem für Betriebsanalysengeräte in Technisches Messen 53 (1986) H. 1, S. 10-16 und Humpert, H.-M.; Muras, G.: Nullpur.ktstabilität elektromechanische Waagen, IX. Ungarisches Wägetechnisches Kolloquium Szeged 19G7 S. 90-96 wird festgestellt, daß die durch Offsetfehler entstehenden Meßunrichtigkeiten infolge vielfältiger Umwelteinflüsse und Alterung aber bei der Mehrzahl der bekannten Meßsysteme wesentlich größer sind als die durch Fehler des Übertragungsfaktors verursachten, zumal Offsetfehler bereits am Meßbereichsanfang voll wirksam werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit dor Kontrolle des Nullpunktes.

Nach Birkle, M.: Methoden für rechnergestütztes Messen in Messen Prüfen Automatisieren März 1987, S. 128-132 und Breimesser, F.: Zuverlässigere Meßeinrichtungen durch Eigentest und automatische Korrektur in VDI-Berichte 566 (1985), S.353-362 ist aber in vielen Fällen die dazu unbedingt notwendige Abschaltung und anschließende Anschaltung der Meßgröße fehlerbehaftet, mit hohem Aufwand verbunden oder völlig unmöglich.

In diesen Fällen ist die Anwendung der bekannten Methoden der Kalibrierung und Selbstkalibrierung unmöglich. •

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Anwendungsbereich von Methoden der Selbstkalibrierung auf die Messungen auszudehnen, bei denen die Abschaltung der Meßgröße vom Meßsystem mit Ungenauigkeiten behaftet, mit großem Aufwand verbunden oder unmöglich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Selbstkalibrierung von Meßsystemen zu entwickeln, bei dessen Anwendung die Meßgröße ständig am Eingang des Meßsystems anliegen kann, das aber trotzdem die Ermittlung und Korrektur meßwertverfälschender driftender Offsetgrößen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teilübertragungsfaktor definiert variiert wird. Die Größe der dadurch entstehenden Variation des Gesamtübertragungsfaktors kann durch Anlegen einer Referenzmeßgröße zusätzlich zur ständig anliegenden Meßgröße bestimmt werden.

Zur Variation, d. h. zur definierten Modulation oder Umschaltung sollte ein in der Übertragungskette weit vorn liegender Teilübertragungsfaktor benutzt werden. Durch diese Maßnahme und durch die Auswertung des dadurch entstehenden modulierten bzw. zwischen zwei Zuständen umgeschalteten Ausgangssignals zur Meßwertbestimmung wird die Wirkung aller unbestimmt driftenden Offsetgrößen, die in der Übertragungskette hinter dem Teilübertragungsglied mit dem variierten Übertragungsfaktor liegen, eliminiert.

Die Messung erfolgt entweder durch ständige Variation unabhängig von Offsetdriften, oder die aktuellen Offsetgrößen werden durch zyklische Variation bestimmt und bis zum nächsten Kaliöriervorgang zur Offsetkorrektur benutzt.

Die Genauigkeit des Verfahrens hängt nur von der Genauigkeit der Änderung des Übertragungsfaktors ab.

In den Fällen, in denen auch die Größe der Änderung des Übertranungsfaktors fehlerbehaftet ist, kann diese genau ermittelt werden.

Dazu wild das Meßsystem zusätzlich zur anliegenden Moßgröße und zusätzlich zur Variation des Übertragungsfaktors mit einer Referenzmeßgröße beaufschlagt. Aus dem so entstehenden Ausgangssignal kann die Größe der Änderung des Übertragungsfaktors und daraus die Größe des .Meßwertes mit der Genauigkeit der Referenzgröße, d.h. unabhängig von driftenden Offsetgrößen und Übertragungsfaktoren ermittelt werden.

Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt einen Kippsensor zur Überwachung der Standsicherheit hoher Bauwerke. Dieser besteht aus einem Pendel. Eine Pendelmasse 1 hängt an einem elastischen Verformungskörper 2, der bei Kippung durch die angehängte Masse verformt wird. Diese Verformung wird in bekannter Weise auf Dehnungsmeßstreifen 3 übertragen, die ein nach entsprechender Verstärkung äußerst empfindliches elektrisches Signal bei Kippung des Sensors abgeben. Problematisch ist hier die über die Zeiträume von Jahr an geforderte Stabilität des Nullpunktes der hohen elektrischen Verstärkung, vor allem aber die Stabilität des Nullpunktes der ersten Übertragungsstufen; sowohl der Verformungskörper als auch die Dehnungsmeßstreifen-Applikation neigen zu Langzeitnachwirkungen, die durch Versetzungsbewegungen, Umkristallisationen, Platzwechselvorgänge u.a. bedingt sind und zu Offesetdriften führen. Eine Abschaltung der Meßgröße „Lage des Sensors zur Senkrechten" ist nicht möglich. Dor in der Meßkette vor dem Auftreten von Materialnachwirkungen liegende Teilübertragungsfaktor wird durch die die Pendelmasse anziehende Gravitation gebildet. Bei Kippung des Sensors ist die Verformung der Dehnungsmeßstreifen der Gravitationskraft Proportional; in der Nullage des Sensors entsteht durch Änderung dieser senkrecht wirkenosn Kraft keine Änderung des

Ausgangssignals. Diese Unempfindlichkeit des Ausgangssignals gogenüber Änderungen des Übertragungsfaktors in der Nullage ist unabhängig von etwa vorhandenen Offsetverschiebungen infolge Alterung oder Temperatur der Applikation oder des Verstärkers. Das gegenüber Offsetverschiebungen unempfindliche Signal entsteht durch definierte Änderung des

Übertragungsfaktors und kann mit bekannten Mitteln ausgewertet werden.

Die definierte Änderung des Übertragungsfaktors wird im betrachteten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, daß die Pendelmasse in einem Gufäß aufgehängt ist. Dieses Gefäß wird mit bekannten Mitteln mit einer geeigneten Flüssigkeit 4 geflutet. Die entstehende Auftriebskraft der Masse in der Flüssigkeit wirkt der Schwerkraft genau entgegen, so daß der durch diese bestimmte Teilübertragungsfaktor definiert verringert wird. Die Flutung erfolgt durch einen mit einem Magneter; 5 angetriebenen Verdrängungskörper 6. Eine Selbstkalibrierung hinsichtlich der Variation des Übertragungsfaktors wäre möglich durch Aufbringen einer definierten zusätzlichen Kippung oder durch Anregen und Messen der Eigenfrequenz, aber die Fehler

durch Änderung dos Ubertragungsfaktors werden mit bekannten Mitteln der Kompensation ausreichend beherrscht.

Figur 2 stellt die Messung der Konzentration von Flüssigkeiten oder Gasen mit optischen Mothoden dar:

Die zu messende Konzentration c wird zunächst mit dem Übertragungsfaktor K, in einen Transmissionsgrad T des durchstrahlten Volumens, der Transmissionsgrad mit K₂ in eine Lichtintensität Ix und die Lichtintensität mit K₃ in eine elektrische Spannung U gewandelt. Diese Wandlungen werden durch Offsetgrößen verfälscht: Durch Verschmutzung, Temperaturabhängigkeiten und Alterung ändert sich der Transmissionsgrad; bei c = 0 wird der scheinbare, sich ändernde Transmissionsgrad To gemessen.

Schwankungen der Lampenspannung und Alterung ändern den Offsetbetrag der Lichtintensität Ixo, und durch Alterung und Temperaturabhängigkeiten elektronischer Eigenschaften entstehen Änderungen der Offsetspannung des Verstärkers Uo.

Bei bekannten Methoden werden durch Differenzbildung mit einem durch eine Vergleichsküvette geleiteten Referenzstrahl Schwankungen der Strahlerintensität und der Sensorempfindlichkeit am Nullpunkt, bei Quotientenbildung im Meßbereich eliminiert. Will man den Einfluß von Verschmutzungen der Küvetten beseitigen, die einen negativen Offset des Transmissionsgrades bewirke=.·., muß man das Meßsystem auf ein Medium der Konzentration c = O um- und damit die Meßgröße vom Eingang des Meßgerätes abschalten. Die so ermittelte Nullpunktverschiebung ist zur Korrektur zu benutzen.

Der Teilübertragungsfaktor der ersten Übertragungsstufe hängt vom Extinktionskoeffizienten und von der Dicke der durchstrahlten Schicht ab. Die Variation dieses Übertragungsfaktors kann also erfolgen durch Variation der Schichtdicke um einen definierten Betrag oder durch eine Variation des wellenlängenabhängigen Extinktionskoeffizienten.

Wenn die Verschmutzungen aus der zu messenden Stoffkomponente bestehen, d. h. wenn die Offsetverschiebung des Transmissionsgrades wellenlängenabhängig ist, muß die Schichtdicke variiert werden.

Die Variation des Strahlerspektrums zur Variation des Extinktionskoeffizienten muß so erfolgen, daß sich bei c = O keine Änderung der Ausgangsgröße U ergibt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft Leitfähigkeitsmessungen, wie sie zur Bestimmung des Salzgehaltes von Hochdruckkesselspeisewasser u.a. verwendet werden.

Die Leitfähigkeit wird als elektrische Spannung, die über dem Widerstand der Meßzelle oder über einem Reihenwiderstand abfällt abgebildet. Diese Abbildungsgröße wird aber durch Polarisationseffekte, die zeit- und stromdichteabhängig sind und durch Verschmutzungen verfälscht. Diese Fehler wirken als zeitlich driftende Offsetgrößen. Einflüsse von Verschmutzungen können durch Abschalten der Meßgröße, d. h. durch Einleiten eines Mediums mit einor Referenzleitfähigkeit beseitigt werden.

Die durch Polarisation bedingten Fehler werden durch Wechselspannungsbetrieb nur teilweise beseitigt; durch Einleiten eines Mediums mit einer Referenzleitfähigkeit werden sie verändert, so daß eine Ermittlung schwierig ist.

Durch Variation des Übertragungsfaktors, der durch die Zellenkonstante der Meßzelle gebildet wird, kann unabhängig von den Offsetgrößen gemessen werden.

Zur Variation des Übertragungsfaktors wird der mittlere Abstand variiert, eine Variation der Zellenfläche hätte zusätzliche Ströme zum Auf- oder Abbau der elektrischen Doppelschichten zur Folge.

Claims

1. Verfahren zur Selbstkaliorierung von Meßsystemen mit mehreren Teilübertragungsfaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß ohne Abschaltung der Meßgröße χ und während der Ermittlung des Meßergebnisses V₁, der Teilübertragungsfaktor Ki, der in der Reihenschaltung der Teilübertragungsfaktoren, vor dem Teilübertragungsfaktor mit dem größten zu erwartenden Offsetfehler b liegt, definiert verändert wird, so daß ein zweites Meßergobnis y 2 vorliegt und gilt:

Yi = kii · χ + b y₂ = ki₂ · x + b

und daß die Meßgröße χ und der Offsetfehler b bestimmt werden, die von den in der Reihenschaltung nach dem definiert veränderten Toilübertragungsfaktor liegenden unbestimmten Offsetgrößen unabhängig sind, wobei gilt:

b = Vi + (Yi - y₂) · k,/(k₂ - Ic₁) x = (Y2 - Yi)/(kii - ki₂).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Veränderung des T.eilübertragungsfaktors durch Modulation erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Veränderung des Teilübertragungsfaktors durch Umschaltung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Referenzmeßgröße r zusätzlich zur Meßgröße χ und zusätzlich zur definierten Änderung des Teilübertragungsfaktors K; insgesamt vier Meßergebnisse yi bis y₄ gewonnen werden, für die gilt:

y, = k, · χ + b y₂ = k, · (x + r) + b y₃ = k₂ · (x + r) + b y₄ = k₂ · χ + b,

woraus die Größe der Teilübertragungsfaktoren ki,, ki₂, des Offsetfehlers b und der Meßgröße χ durch

ki = (y₂ - Yi)/r k₂ = (V3 - Y4>/r b = Yi + (yi - y₄) k,/(k₂ - k,) χ = (Y4 - yi)/(k₂ - k,)

abgeleitet werden können.

5. VerfaL.cn nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Größe derÄnderung des Teilübertragungsfaktors ΔΚ; zur Bestimmung der Meßgröße verwandet wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibrierung von Meßsystemen im Labor und in der Industrie, bei dessen Anwendung die Meßgröße während des Kalibriervorganges nicht abgeschaltet werden muß.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die immer höheren Ansprüche der Labor- und industriellen Praxis an die Genauigkeit von Meßsystemen für die verschiedensten Meßgrößer, macht in zunehmendem Maße eine ständige Kontrolle der Kalibrierung dieser Geräte notwendig. Aus dieser Notwendigkeit heraus wurden die verschiedensten Varianten zur automatischen, in kurzen Zeitabständen durchführbaren Selbstkalibrierung für viele Meßgrößen und Anwendungsbereiche entwickelt, wie z. B. von Breimesser, F.: Zuverlässigere Meßeinrichtungen durch Eigentests und automatische Korrektur in VDI-Berichte 566 (1985) S.353-362 und Wagner F. E.; Miramahdi, A.: Automatische Kalibrierung - Ein neues Verfahren zur Korrektur systematischer Fehler in Meßsystemen mit linearer Kennlinie in Technisches Messen Bd.46 (1979) H. 1, S. 15-19 beschrieben wird.