DD278642A1 - PROCESS FOR SELF-CALIBRATION OF MEASURING SYSTEMS - Google Patents
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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. 2The invention relates to a method for self-calibration of measuring systems in the laboratory and in industry, in the application of which the measured quantity does not have to be switched off during the calibration process. The object is achieved according to the invention in that a partial transfer factor is varied in a defined manner. The size of the resulting variation of the total transmission factor can be determined by applying a reference measurement quantity in addition to the continuously applied measurement quantity. 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.All these self-calibrating measuring systems have in common the method that, when indefinite offset quantities occur, the measuring system for calibration must be subjected to two reference values of the measured variable. For this purpose, the measured variable must be turned off, which is Birkle. M .: Methods for computer-assisted measurement in measuring testing automation March 1987, p. 128-132 can be seen.
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.In most cases, the zero point determined by switching off the measured variable is used as a reference unit and a reference value that has been abandoned in addition to the measured value for calibration. Only in cases in which it is expected that no measured value corrupted offset quantities occur, can be dispensed with the shutdown of the measured value. For this purpose, the measured value is superimposed with a usually electrical, thermal or optical test signal of known size (see Breimesser, F .: Concepts for Self-Tests and Automatic Corrections in Measuring Devices in Technisches Messen 53 [1986] H.4, pp. 133-137). According to Herold, H .: The Compromise of Accuracy, Cutoff Frequency, Duration and Frequency in Automatic Self-Calibration in msr 30 (1987) H.9, p.394-397 then only relates to the transmission factor of the measuring system.
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.Olowski, W .: Automatic Calibration System for Operational Analyzers in Technisches Messen 53 (1986) H. 1, pp. 10-16 and Humpert, H.-M .; Muras, G .: Zero-Trace Stability Electromechanical Scales, IX. Hungarian Weighing Technical Colloquium Szeged 19G7 S. 90-96 it is found that the errors resulting from offset errors due to diverse environmental influences and aging but in the majority of known measuring systems are much greater than those caused by errors of the transmission factor, especially since offset errors are fully effective already at the beginning of the range , Hence the necessity of controlling the zero point.
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.According to Birkle, M .: Methods for computer-aided measuring in trade shows Testing Automate March 1987, pp. 128-132 and Breimesser, F .: More reliable measuring devices by self-test and automatic correction in VDI reports 566 (1985), pp. 353-362 but in many cases the necessarily necessary shutdown and subsequent connection of the measured variable faulty, associated with great effort or completely impossible.
In diesen Fällen ist die Anwendung der bekannten Methoden der Kalibrierung und Selbstkalibrierung unmöglich. •In these cases, the application of the known methods of calibration and self-calibration is impossible. •
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.The aim of the invention is to extend the scope of methods of self-calibration on the measurements in which the shutdown of the measured variable from the measuring system with inaccuracies involved, associated with great effort or impossible.
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.The object of the invention is to develop a method for self-calibration of measuring systems, in the application of the measured variable may constantly be present at the input of the measuring system, but still allows the determination and correction of verßwertverfälschender drifting offset sizes.
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.The object is achieved in that a partial transfer factor is varied defined. The size of the resulting variation of the total transmission factor can be determined by applying a Referenzmeßgröße in addition to the constantly applied measured variable.
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.To the variation, d. H. For defined modulation or switching, a partial transmission factor, which is far ahead in the transmission chain, should be used. By this measure and by the evaluation of the resulting modulated or switched between two states output signal for Meßwertbestimmung the effect of all indeterminate drifting offset quantities, which are in the transmission chain behind the partial transmission element with the varied transmission factor, eliminated.
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.The measurement is carried out either by constant variation independent of offset drift, or the current offset sizes are determined by cyclic variation and used until the next Kaliöriervorgang for offset correction.
Die Genauigkeit des Verfahrens hängt nur von der Genauigkeit der Änderung des Übertragungsfaktors ab.The accuracy of the method depends only on the accuracy of the change in the transmission factor.
In den Fällen, in denen auch die Größe der Änderung des Übertranungsfaktors fehlerbehaftet ist, kann diese genau ermittelt werden.In cases where the magnitude of the change in the transgression factor is also error-prone, this can be determined accurately.
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.For this purpose, the measuring system is acted upon in addition to the applied Moßgröße and in addition to the variation of the transmission factor with a Referenzmeßgröße. From the resulting output signal, the magnitude of the change in the transmission factor and, therefrom, the magnitude of the measured value can be compared with the accuracy of the reference quantity, i. be determined independently of drifting offset quantities and transmission factors.
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 desFIG. 1 shows a tilt sensor for monitoring the stability of tall structures. This consists of a pendulum. A pendulum mass 1 hangs on an elastic deformation body 2, which is deformed by tilting the attached mass. This deformation is transmitted in a known manner to strain gauges 3, which emit a highly sensitive after appropriate amplification of the signal signal upon tilting of the sensor. The problem here is the stability of the zero point of the high electrical amplification demanded over the periods of year, but above all the stability of the zero point of the first transmission stages; both the strain body and the strain gauge application are prone to long-term effects caused by dislocation, recrystallization, swapping, and the like. are conditional and lead to Offesetdriften. It is not possible to switch off the measured variable "position of the sensor to the vertical." If the sensor is tilted, the deformation of the strain gauges of the gravitational force is proportional to the partial transmission factor before the occurrence of material after-effects Zero position of the sensor is created by changing this perpendicular acting force no change of
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 desOutput signal. This insensitivity of the output signal relative to changes in the transmission factor in the neutral position is independent of any offset displacements due to aging or temperature of the application or of the amplifier. The insensitive to offset shifts signal is created by a defined change of
Übertragungsfaktors und kann mit bekannten Mitteln ausgewertet werden.Transmission factor and can be evaluated by known means.
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 FehlerThe defined change in the transmission factor is realized in the considered embodiment, characterized in that the pendulum mass is suspended in a Gufäß. This vessel is flooded by known means with a suitable liquid 4. The resulting buoyant force of the mass in the liquid counteracts the force of gravity, so that the defined by this specific component transfer factor is reduced. The flooding is done by one with a magnet; 5 driven displacement body 6. A self-calibration regarding the variation of the transmission factor would be possible by applying a defined additional tilt or by exciting and measuring the natural frequency, but the errors
durch Änderung dos Ubertragungsfaktors werden mit bekannten Mitteln der Kompensation ausreichend beherrscht.By changing the transmission factor, sufficient control is achieved with known means of compensation.
Figur 2 stellt die Messung der Konzentration von Flüssigkeiten oder Gasen mit optischen Mothoden dar:FIG. 2 illustrates the measurement of the concentration of liquids or gases with optical modes:
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.The concentration to be measured c is first converted with the transmission factor K, in a transmittance T of the irradiated volume, the transmittance with K 2 in a light intensity Ix and the light intensity with K 3 in an electrical voltage U. These transformations are corrupted by offset quantities: Pollution, temperature dependencies and aging change the transmittance; at c = 0, the apparent, varying transmittance To is measured.
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.Fluctuations in lamp voltage and aging change the offset amount of the light intensity Ixo, and aging and temperature dependencies of electronic characteristics cause changes in the offset voltage of the amplifier 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.In known methods, fluctuations in the intensity of the radiation and the sensor sensitivity at the zero point, with quotient formation in the measuring range, are eliminated by forming the difference with a reference beam conducted through a reference cuvette. If you want to eliminate the influence of contamination of the cuvettes, which causes a negative offset of the transmittance =. ·., You have to switch the measuring system to a medium of concentration c = O and thus switch off the measured variable from the input of the measuring instrument. The zero offset determined in this way is to be used for correction.
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.The partial transfer factor of the first transfer stage depends on the extinction coefficient and the thickness of the irradiated layer. The variation of this transmission factor can therefore be effected by varying the layer thickness by a defined amount or by a variation of the wavelength-dependent extinction coefficient.
Wenn die Verschmutzungen aus der zu messenden Stoffkomponente bestehen, d. h. wenn die Offsetverschiebung des Transmissionsgrades wellenlängenabhängig ist, muß die Schichtdicke variiert werden.If the contaminants consist of the substance component to be measured, d. H. if the offset shift of the transmittance is wavelength-dependent, the layer thickness must be varied.
Die Variation des Strahlerspektrums zur Variation des Extinktionskoeffizienten muß so erfolgen, daß sich bei c = O keine Änderung der Ausgangsgröße U ergibt.The variation of the emitter spectrum for varying the extinction coefficient must be such that no change in the output quantity U occurs at c = 0.
Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft Leitfähigkeitsmessungen, wie sie zur Bestimmung des Salzgehaltes von Hochdruckkesselspeisewasser u.a. verwendet werden.A third embodiment relates to conductivity measurements, such as those used to determine the salt content of high pressure boiler feed water, and the like. be used.
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.The conductivity is represented as an electrical voltage that drops across the resistance of the measuring cell or across a series resistance. However, this image size is falsified by polarization effects, which are dependent on time and current density and are contaminated by soiling. These errors act as time-drifting offset quantities. Influences of contamination can be avoided by switching off the measured variable, i. H. by eliminating a medium having a reference conductivity.
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.The polarization-related errors are only partially removed by AC operation; By introducing a medium having a reference conductivity, they are changed so that detection is difficult.
Durch Variation des Übertragungsfaktors, der durch die Zellenkonstante der Meßzelle gebildet wird, kann unabhängig von den Offsetgrößen gemessen werden.By varying the transmission factor, which is formed by the cell constant of the measuring cell, it is possible to measure independently of the offset quantities.
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.For variation of the transmission factor, the mean distance is varied, a variation of the cell area would result in additional currents for the assembly or disassembly of the electrical double layers.
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