DD290964A5 - Schaltungsanordnung zur korrektur von hilfsenergieabhaengigen sensorsignalen in programmsteueranordnungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Korrektur von hilfsenergieabhaengigen Sensorsignalen in Programmsteueranordnungen und bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Steuerungstechnik. Ihre Anwendung ist in Maschinen- und Prozeszsteuerungen moeglich und zweckmaeszig. Wesentliche Merkmale der Erfindung sind das Verbinden einer Sensoreinheit (SE) eingangsseitig mit einer Hilfsenergiequelle (HEQ) und ausgangsseitig ueber eine eingangsseitig ebenfalls mit der Hilfsenergiequelle gekoppelte Analog-Digital-Wandlereinheit (ADW) mit einer Rechnereinheit * deren Ausgang (REA) zum Bestimmen der Empfindlichkeit der Sensoren zum Eingang (HQE) der Hilfsenergiequelle (HQE) gefuehrt ist. Fig. 1{Korrektur; hilfsenergieabhaengiges Sensorsignal; Programmsteueranordnung; Steuerungstechnik; Sensoreinheit; Hilfsenergiequelle; Analog-Digital-Wandlereinheit; Rechnereinheit; Empfindlichkeit; Maschinensteuerung; Prozeszsteuerung}

Description

Die Erfindung „Schaltungsanordnung zur Speisung passiver Meßwertgeber mit einer Kompensationseinrichtung" (G M R17/00 DE-WP 282482.3; 06. Juni 1978; 13. Dez. 1979) stellt ein konstantes Verhältnis der Speichergrößen für den Meßwertgeber und einem Kompensationsspannungsgeber her. Hier liegt der zusätzliche Schaltungsaufwand sehr hoch. Stabilitäts- und Genauigkeitsforderungen sind für die erforderlichen Wandler nur mit hohem Aufwand realisierbar. Nachteilig ist ebenfalls, daß nicht erkennbar ist, ob sich Parameter der Hilfsspannungsquelle oder des Sensors geändert haben.

Bei anderen bekannten Anordnungen wird z. B. nur die Signaländnrung als Störsignal gemessen was aufwendiger ist. Außerdem ist die Weiterverarbeitung dieses Wertes aufwendiger.

Üblicherweise werden z. B. für Hilfsspannungsquellen Präzisionsspannungsquellen eingesetzt. Diese besitzen aber einen Innenwiderstand, welcher sich durch eine erforderliche Zusatzschaltung verändert. Auf Grund des Innenwiderstandes ändert sich der Spannungswert bei wechselnder Belastung und anderen Einflüssen (Alterung, Temperaturschwankungen...). Dißse Zusatzbeschaltung ist erforderlich, um einen, dem Sensortyp entsprechenden Spannungswert einzustellen und um die erforderliche Leistung zur Versorgung des Sensors liefern zu können. Übliche Präzisionsspannungsquellen erfüllen meist nicht ohne Zusatzaufwand die gestellten Forderungen. Der Einsatz von Präzisionsspannungsquellen ist wegen der üblicherweisa erforderlichen Konstanz der Spannung erforderlich. Sie sollte mindestens eine Zehnerpotenz besser sein als die gewünschte Meßgenauigkeit für das Sensorsignal. Weiterhin macht sich ein Abgleich auf einen genau bekannten Wert erforderlich. Die Abgleichgenauigkeit sollte ebenfalls mindestens eine Zehnerpotenz besser sein als die geforderte Meßgenauigkeit. Bisher konnten Parameteränderungen von Sensoren nicht ohne zusätzliche Steuerleitungen zum Sensor oder zusätzlichen Hardwareaufwand im Sensor von der Auswerteeinrichtung aus kompensiert werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei einer Schaltungsanordnung zur Korrektur von hilfsenergieabhängigen Sensorsignalen und von Empfindlichkeitsänderungen dieser Sensoren in ProgrammsteueranOrdnungen mit geringem Aufwand den Einsatzbereich auf Sensoren mit verschiedenen Hilfsenergiebedarf zu erweitern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Korrektur von hilfsenergieabhängigen Steuersignalen und von Empfindlichkeitsänderungen dieser Sensoren in Programmsteueranordnungen zu schaffen, die, bestehend aus einem von einer Hilfsenergiequelle gespeisten Sensoreinheit mit einer bekannten, uneingeschränkten Abhängigkeit der Steuersignale von der Hilfsenergie aus einer Analog-Digital-Wandlereinheit von begrenzter Auflösung für mindestens zwei Eingangssignale und einer Rechnereinheit zum Gewinnen der Meßgröße aus den Sensorsignalen, bei vergleichbarer Meßgenauigkeit geringere Anforderungen an die Stabilität der Hilfsenergiequelle stellt und bei der es keine Einschränkungen bezüglich der Abhängigkeit des Sensorsignals von der Hilfsenergie gibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sensoreinheit mit ihrem Hilfsenergieeingang am Ausgang der Hilfsenergiequelle liegt. Ausgangsseitig ist die Sensoreinheit über einen ersten Eingang einer Analog-Digital-Wandler-Einheit für das Erfassen von Änderungen der Eingangssignale zur gleichen Zeit oder in einem Zeitraum mit vernachlässigbaren Änderungen zum Eingang der Rechnereinheit geführt. Über einen zweiten Eingang zum Eingeben des Ist-Wertes der Hilfsenergie ist die Analog-Digital-Wandler-Einheit, die einen Meßverstärker enthält, mit dem Ausgang der Hilfsenergiequolle verbunden. Der Ausgang der Rechnereinheit ist an den Eingang der Hilfsenergiequelle angeschlossen, wobei diese Kopplung ist. Die Verbindung Rechnereinheit Hilfsenergiequelle zum Umschalten der Hilfsenergiequelle auf mindestens zwei in einem günstigen Betriebsbereich liegende Werte für das Bestimmen der Empfindlichkeit der Sensoren in der Sensoreinheit aus dem Verhältnis der Änderung des Sensorsignals und der Hilfsenergieänderung oder derÄnderung des Ausgangssignals der Eingangsstufe des Meßverstärkers in der Analog-Digital-Wandlereinheit und der Hilfsenergieänderung dient.

Ausführungsbelsplel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: das Blockschaltbild der Anordnung mit der erfinderischen Lösung,

Fig. 2: eine schaltungstechnische Variante der gesamten Anordnung,

Fig. 3: eine schaltungstechnische Variante der Analog-Digital-Wandler-Einheit ADW,

Fig. 4: ein Koppelglied zum Anschließen einer Stromquelle STQ.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild der Anordnung mit der erfinderischen Lösung dargestellt, die eine aus mehreren Sensoren bestehende Sensoreinheit SE enthält. An den Hilfsenergieeingang HEE dieser Sensoreinheit SE ist eine Hilfsenergiequelle HEQ mit ihrem Ausgang HQA angeschlossen. Der /.jsgang SEA der Sensoreinheit SE ist mit einem ersten Eingang WE1 einer Analog-Digital-Wandler-Einheit ADW verbunden, zu deren zweiten Eingang WE 2 eine Leitung zum Übertragen des Ist-Wertes IHE der Hilfsenergie vom Ausgang HQA der Hilfsenergiequelle HEQ geführt ist. Der Ausgang WA der Analog-Digital-Wandler-Einheit ADW ist mit dem Eingang REE einer Rechnereinheit RE verbunden, deren Ausgang REA an den Eingang HQE der Hilfsenergiequelle HEQ angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt eine schaltungstechnische Variante der gesamten Anordnung. Die Sensoren S1; S 2 werden von einer gemeinsamen Hilfsenergiequelle HEQ gespeist, die, wie in Fig. 3 dargestellt, aus einer Spannungsquelle SQ mit dem Innenwiderstand und den Anschlüssen e; f; g; h zum Ankoppeln an die Sensoreinheit SE bzw. die Sensoren S1; S 2 und die Analog-Digital-Wandler-Einheit ADW besteht.

Es handelt sich hierbei um eine Spannungsspeisung der Sensoren S1; S 2. Die Spannungsquelle SPQ kann in ihrem Spannungswert umschaltbar sein. Die Sensoren S1 und S 2 können nun einen unterschiedlichen Leistungsbedarf besitzen, der sich z.B. durch unterschiedliche Ströme bemerkbar macht.

Durch diese unterschiedlichen Ströme wird nun nach dem Ohmschen Gesetz eine unterschiedliche Spannung an den Sensoren S1; S 2 wirksam. Ursache dafür ist der Innenwiderstand Rl der Spannunpsquelle SPQ.

Da das Sensorsignal hilfsspannungsabhängig ist, entsteht hier ein Fehler, der nicht einfach durch Rechnung beseitigt werden kann, da der Innenwiderstand Rl der Spannungsquelle SPQ nicht genau bestimmbar ist. Außerdem sind die Parameter der Spannungsquelle SPQ belastungs-, alterungs-, temperatur- und abgleichabhängig.

Die Sensoren S1; S 2 werden über die Anschlüsse g und h mit der Hilfsenergiequelle HEQ verbunden. Über die Anschlüsse a, c und b, d erfolgt der Anschluß der Sensoren S1; S2 an die A/D-Wandlereinheit ADW. Über die Anschlüsse e und f erfolgt der Anschluß der Hilfsenergiequelle HEQ an die A/D-Wandlereinheit ADW. Die Abschaltung der Sensorsignale sowie des Signals der Hilfsenerciequelle HPQ an die A/D-Wandlereinheit ADW kann z. B. mittels zweier Multiplexer M1; M 2 oder über zwei S & Η-Glieder LG1; LG 2 und einem Multiplexer M3 gemäß Fig.3 erfolgen. Eventuell erforderliche Signalverstückungen sind in "iblicherweise bekannten Verfahren durchzuführen. Der Vorteil der Variante nach Fig.3 liegt darin, daß zum genau gleichen Zeitpunkt das Sensorsignal und das Signal der Hilfsenergiequelle HEQ gemessen werden können. Vorteil der Variante nach Fig. 2 ist der geringe Aufwand. Bei beiden Varianten muß die folgende Zeitbedingung eingehalten werden. Die Signale an den beiden Eingängen der A/D-Wandler-Einheit ADW müssen gleichzeitig oder innerhalb der Zeit erfaßt werden, in der die Signaländerungen vernachlässigbar sind.

Wenn diese Zeitforderung eingehalten wird, ist es unwesentlich wie die A/W-Wandler-Einheit ADW aufgebaut ist, und ob die Signale parallel oder seriell gewandelt werden.

Die Ankopplung der Rechnereinheit RE an die A/D-Wandler-Einheit ADW ist allgemein bekannt.

In Fig.4 ist der prinzipielle Anschluß einer Hilfsenergiequelle HEQ für eine Stromspeisung (Hilfsstrom) der Sensoren S1; S2 mittels einer Stromquelle STQ dargestellt. An die Änschlünse g und h erfolgt der Anschluß der Sensoren S1; S 2, wobei in eine Anschlußleitung ein Meßwiderstand RM eingeschalten wird. Dieser Widerstand dient zur Gewinnung eines stromproportionalen Spannungssignals welches an die Anschlüsse e und f der A/D-Wandler-Einheit ADW gelangt. Die Zusammenhänge zwischen Hilfsstrom und gewonnenem Spannungssignal sind prinzipiell nach dem Ohmschen Gesetz bekannt.

Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise:

In einer bekannten Rechneranordnung wird das A/D-gewandelte Signal des Sensors S1; S2 mit dem als konstant angenommenen Wert der Hilfsenergie nach bekannten Verfahren zur Meßgröße verrechnet. Es ist dabei wie üblich vorausgesetzt, daß die Abhängigkeit des Sensorsignals von der Hilfsenergie bekannt ist und die A/D-Wandler-Einheit ADW die Auflösung begrenzt.

Erfindungsgemäß wird in der auch bisher erforderlichen Gleichung der Modellfunktion des Sensors S1; S 2 der bisher als unveränderlich angenommene Wert der Hilfsenergie (ζ. B. der Spannungswert) durch den gemessenen Momentanwert ersetzt.

Die erforderliche Änderung des bisherigen Rechnerprogramms ist prinzipiell bekannt und aufwandarm.

Weitere bisher notwendige Korrekturrechnungen sind zur Erreichung des in der Erfindung gestellten Zieles nicht erforderlich.

Da in der Modellfunktion der wirklich zum Zeitpunkt der Messung des Sensorsignales vorhandene Wert der Hilfsenergie benutzt wird, haben belastungs-, temperatur- und alterungsbedingte Änderungen des Wertes der Hilfsenergie keinen Einfluß auf die berechnete Meßgröße. Der Abgleich der Hilfsenergiequelle HEQ braucht nur noch so genau zu erfolgen, daß die Hilfsenergie in der für den Sensor S1; S 2 erforderlichen Größenordnung liegt.

Sollen mit der Anordnung hilfsenergieunabhängige Sensorsignale gemessen werden, so wird das Rechenprogramm in der

bisher verwendeten Form beibehalten. Weitere Anden ingen sind nicht notwendig. Es tritt also keine Einschränkung der bisherigen Funktionen ein.

Die Modellfunktion kann auch nichtlineare Zusammenhänge zwischen Sensoi signal und Hilfsenergie enthalten.

In Präzisionsanordnungen ist es unter Umständen erforderlich die Empfindlichkeit angeschlossener Sensoren genau zu bestimmen. Speziell angewendet wird die Anordnung für Sensoren S1; S 2, deren Signal hilfsenergieabhängig ist. Die

Abhängigkeit kann auch nichtlinear sein. Dann muß der Übertragungsbereich in lineare Teilbereiche aufgeteilt werden.

Die Empfindlichkeit ergibt sich aus dem Verhältnis der Änderung des Ausgangssignals und der Änderung der Hilfsenergie (Strom- oder Spannungsänderung). Während der Messung dieserzwei Werte darf sich die, mit dem Sensor S1; S 2 zu messende physikalische Größe, nicht ändern.

Die Ermittlung der Empfindlichkeit des Sensors S1; S2 kann also während des laufenden Betriebes erfolgen. Womit Änderungen der Sensorparameter erkannt und kompensiert werden können, indem zur Ermittlung der zu messenden physikalischen Größe immer mit dem aktuellen Empfindlichkeitswert des Sensors S1; S 2 gerechnet wird. Damit wird es möglich mit den Sensoren S1; S 2 eine höhere Meßgenauigkeit zu erreichen, auch wenn die Sensoren S1; S 2 z. B. nicht Temperaturkompensiert sind. Hier wird auch eine wichtige ökonomische Voraussetzung geschaffen, Sensoren S1; S2 preisgünstig herzustellen.

Einzige Voraussetzung für die Messung ist, daß der Sensor S1; S2 ein meßbares Signal liefert (er muß mit einer physikalischen Größe belastet sein oder er darf nicht exakt nullkompensiert sein.) Im laufenden Meßbetrieb dürfte dieser Fall aber immer gegeben sein. Weiterhin darf sich die physikalische Größe während der Messung nicht ändern.

Da viele Meßvorgänge zeitlich gegenüber der maximalen Meßrate des Umsetzers langsam ablaufen, dürfte diese Bedingung auch erfüllbar sein. Diese Funktion ist auch für die Diagnose anwendbar.

In industriellen Analogeingabebaugruppen wird eine bestimmte Eingangsschutzschaltung gefordert. Diese ist aber nur unter großem Aufwand in die Diagnose einbeziehbar, da sie für jeden Eingang vorhanden sein muß. (8 Analogeingänge erfordern also 8 Diagnoseschaltungen oder einen Zusatzaurwand an Multiplexern.) Mit der Anordnung ist gleichzeitig eine Ermittlung des

Übertragungsfaktors der Eingangsschutzschaltung (z. B. Spannungsteiler) im gleichen Rechenvorgang möglich. Das ist vor allem deshalb wichtig, weil die Eingangsschutzschaltungen für verschiedene Eingänge nicht vollkommen identisch sind. Fehler wirken sich aber aufgrund eventuell hoher Verstärkungen des Meßverstärkers stärker im Endergebnis aus als gleiche Fehler nach dem Meßverstärker. Wobei dieser Übertragungsfaktor mit in die Empfindlichkeit des Sensors eingeht. Als Einzelwert braucht er nicht ermittelt zu werden.

Auch hier ergibt sich eine Einsparung an Abgleich und Meßaufwand. Die Stabilitätsanforderungen können ebenfalls geringer sein. Wie die Umschaltung der Hilfsspannung (Strom) erfolgt, ist gleichgültig. Genauigkeitsforderungen bestehen nicht.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Korrektur von hilfsenergieabhängigen Sensorsignalen und von Empfindlichkeitsänderungen dieser Sensoren in Programmsteueranordnungen, die aus einem von einer Hilfsenergiequelle gespeisten Sensoreinheit mit einer bekannten, uneingeschränkten Abhängigkeit der Sensorsignale von der Hilfsenergie aus einer Analog-Digital-Wandler-Einheit mit Meßverstärker von begrenzter Auflösung für mindestens zwei Eingangssignale und einer Rechnereinheit zum Gewinnen der Meßgröße aus den Sensorsignalen besteht, gekennzeichnet dadurch, daß die mit ihrem Hilfsene.gieeingang (HEE) am Ausgang (HQA) der Hilfsenergiequelle (HWQ) liegende Sensoreinheit (SE)a.isgangsseitig über einen ersten Eingang (WE 1) der mit einem zweiten Eingang (WE2) einem Eingeben des Istwertes (IHE) der Hilfsenergie (HQ) am Ausgang (HQA) der Hilfsenergiequelle (HEQ) angeschlossene, einem Meßverstärker (MV) enthaltende, Analog-Digital-Wandlereinheit (ADW) für das Erfassen von Änderungen der Eingangssignale zur gleichen Zeit oder in einem Zeitraum mit vernachlässigbaren Änderungen zum Eingang (REE) der Rechnereinheit (RE) und deren Ausgang (REA) zum Umschalten der Hilfsenergioquelle (HEQ) auf mindestens zwei in einem günstigen Betriebsbereich liegende Werte für das Bestimmen der Empfindlichkeit der Sensoren (SE 1 bis SE N) in der Sensoreinheit (SE) aus dem Verhältnis der Änderung des Sensorsignals und der Hilfsenergieänderung oder derÄnderung des Ausgangssignals der Eingangsstufe des Meßverstärkers in der Analog-Digital-Wandler-Einheit (ADW) und der Hilfsenergieänderung zum Eingang (HQE) der Hilfsenergiequelle (HEQ) geführt sind.

   Hierzu
2. 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Steuerungstechnik, insbesondere auf die anaiogo Erfassung von zu messenden Prozeßparametern, einschließlich deren Wandlung in eine digitale Größe, und ihre Anwendung ist für Maschinen- und Prozeßsteuerungen möglich und zweckmäßig.

   Charakteristik des bekannten Standes dar Technik

   Allgemein bekannt ist die Erzeugung der Hilfsspannung für einen Sensor aus einer Bezugsspannungsquelle, welche auch die Referenzspannung für den AD-Wandler erzeugt (radiometrische AD-Umsetzung). Damit ist das Meßsignal von dem Wert der B jzugsspannung unabhängig. Diese Variante ist aber in der Anwendung einigen Einschränkungen unterworfen. Das ist erstens der Einsatz eines AD-Wandlers mit externer Referenzspannungsversorgung, wobei der Referenzspannungsbereich möglichst groß sein muß. Daraus ergibt sich sofort, daß der Hilfsenergiebedarf der Sensoren eingeschränkt ist. Er liegt im Referenzspannungsbereich des AD-Wandlers. Des weiteren ist diese Variante nicht auf vorhandene Baugruppen mit Rechner anwendbar, welche AD-Wandler mit interner Referenzquelle besitzen. Die überwiegende Mehrzahl der eingesetzten AD-Wandler besitzt eine interne Referenzquelle welche lediglich als Festwert begrenzter Belastbarkeit abgreifbjr ist. Weiterhin kann eine solche Anordnung nicht direkt zur Messung von analogen Größen eingesetzt werden welche unabhängig von der, von der Anordnung erzeugten, Bezugsspannung entstehen. Hier ist ein Betreiben der Anordnung mittels einer der Meßgenauigkeit entsprechenden Referenzquelle notwendig. Diese Quelle ist dem Meßbereich dann anzupassen. Eine weitere Einschränkung für den Einsatz dieser Variante besteht in der Notwendigkeit der linearen Abhängigkeit des Sensorsignals von üer Hilfsspannung (Strom).

   Die Erfindung „Normierte Meßeinrichtung auf der Basis Wheatstonescher Brücke" (DD-WP G 01 R17/10 228 359; 09. Nov. 1984; 09. Okt. 1985) wendet das Prinzip der Normierung der Brückenverstimmung auf die Betriebsspannung der Brücke an. Die Betriebsspannung der Brücke und das Signal der Brückenverstimmung werden auf ein Divisionsnetzwerk geschalten. Diese Erfindung hat den Nachteil, daß zwei getrennte Verstärker zur Messung der heiden Größen eingesetzt werden. Um einen möglichst großen Meßbereich erfassen zu können, sind beide Verstärker in cer Verstärkung einstellbar zu halten. Der Aufwand den Fehler und die Stabilitätsanforderungen des Divisionsnetzwerkes in der Größenordnung üblicher Präzisionsmeßanordnungen zu halten ist sehr hoch. Die dort gezeigte Anordnung ist auf Brückenschaltungen mit Spannungsspeisung und Spannungsausgang beschränkt. Weiterhin kann eine solche Anordnung nicht direkt zur Messung von analogen Größen eingesetzt werden, welche unabhängig von der Verscrgungsspannung des Gebers sind. Hier ist ein Betreiben der Anordnung mittels einer der Meßgenauigkeit entsprechenden Referenzquelle notwendig. Diese Quelle ist dem Meßbereich dann anzupassen. Eine weitere Einschränkung für dan Einsatz dieser Variante besteht in der Notwendigkeit der linearen Abhängigkeit des Gebersignals von der Versorgungsspannung. Für die Ermittlung der Empfindlichkeit ist das Verfahren nicht anwendbar, da zwar das Verhältnis zwischen Sensorsignal und Hilfsspannung gebildet wird, aber die Hilfsspannung nicht im Wert veränderlich ist. Es ist außerhalb nicht erkennbar, ob die Hilfsspannungsquelle oder der Sensor seine Parameter goändert hat.