-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer physikalischen
Größe durch
einen Leistungsschalter (bzw. in einem Leistungsschalter).
-
In
einem Leistungsschalter wird neben einem eigentlichen Sensor, der
Signale in Abhängigkeit
von einer solchen physikalischen Größe abgibt, eine Signalaufbereitungseinheit
eingesetzt, die dem Sensor nachgeschaltet ist. Die Signalaufbereitungseinheit
bereitet die vom Sensor abgegebenen Signale so auf, dass sie von
einer Datenverarbeitungseinheit verwendbar sind. In der Datenverarbeitungseinheit
wird dann aufgrund der von der Signalaufbereitungseinheit empfangenen,
aufbereiteten Signale auf den vorherrschenden tatsächlichen
Wert der physikalischen Größe zurückgeschlossen.
Die Datenverarbeitungseinheit hat üblicherweise auch die Aufgabe,
einen solchen Wert auszuwerten und gegebenenfalls Steuersignale
an andere Einheiten abzugeben.
-
Die
Leistungsfähigkeit
derartiger Einheiten hängt
von der Genauigkeit ab, mit der die physikalische Größe bekannt
ist. Ein Beispiel für
die physikalische Größe ist in
einem Leistungsschalter eine Stromstärke. Der Sensor ist dann ein
Stromsensor, z. B. ein Rogowski-Wandler, und diesem sind elektronische
Bauelemente (nicht auf einem Mikrochip) nachgeordnet. Die Datenverarbeitungseinheit
umfasst typischerweise einen Mikroprozessor.
-
Üblicherweise
baut ein Hersteller von Leistungsschaltern diese aus von Zulieferern
bereitgestellten Komponenten zusammen. Insbesondere wird vom Hersteller
von Leistungsschaltern üblicherweise
auch der jeweilige Sensor für
die physikalische Größe bezogen.
-
Beim
Zulieferer wird der Sensor nach Art eines Kalibrierens vermessen.
Kalibrieren bedeutet bekanntlich, dass der Sensor unter bekannten
Bedingungen getestet wird, dass also für die physikalische Größe vorbestimmte
Werte eingestellt werden oder eingestellt sind und mithilfe eines
bereits kalibrierten Sensors ermittelt werden, und dass die Signale
des Sensors in Abhängigkeit
von den vorbestimmten Werten erfasst werden. Dann kann ein Zusammenhang
zwischen den Signalen des Sensors und den vorbestimmten Werten hergestellt
werden. Die Signale des Sensors haben ein Sollverhalten. Es geht bei
der Kalibrierung insbesondere darum, eine Abweichung von einem solchen
Sollverhalten zu ermitteln. Z. B. kann die Abweichung in einem einfachen Versatz
(Offset) bestehen oder linear von der Messgröße abhängig sein, also durch einen
Proportionalfaktor, der typischerweise um den Wert ”1” liegt,
angebbar sein.
-
Beim
Hersteller des Sensors werden unterschiedliche Sensoren in unterschiedliche
Toleranzklassen eingeteilt, wobei sich die Einteilung aus dem ermittelten
Kalibrierwert ergibt. Einem Käufer
des Sensors wird die Toleranzklasse genannt. Die Information über den
genauen Kalibrierwert wird nicht an den Käufer des Sensors weitergegeben.
-
Ein
Hersteller von Leistungsschaltern kann die Leistungsfähigkeit
einer Einheit zum Erfassen einer physikalischen Größe bisher
durch Auswahl eines geeigneten Sensors in gewisser Hinsicht bestimmen.
Beim Hersteller des Leistungsschalters erfolgt bisher ebenfalls
eine Kalibrierung: Der Sensor wird mit der oben genannten Signalaufbereitungseinheit gekoppelt,
und auch hier werden wieder vorbestimmte Werte für die physikalische Größe eingestellt
oder mit einem anderen Sensor ermittelt. Dann werden die Ausgangsignale
der Signalaufbereitungseinheit in Abhängigkeit von den vorbestimmten
Werten der physikalischen Größe erfasst,
um einen Zusammenhang ableiten zu können. Die so genannte Kalibrierstrecke
besteht somit aus dem Sensor und der Signalaufbereitungseinheit
gemeinsam.
-
Beim
Bestreben, physikalische Größen durch
Leistungsschalter möglichst
exakt zu erfassen, musste man sich bisher damit behelfen, möglichst hochwertige
Sensoren zu erwerben und die Signalaufbereitungseinheit möglichst
optimal zu gestalten. Der Aufwand ist daher sehr hoch.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie mit möglichst
wenig Aufwand die Genauigkeit des Erfassens von physikalischen Größen durch
Leistungsschalter bzw. in Leistungsschaltern erhöht werden kann.
-
Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß werden
somit der eingangs beschriebene Sensor, die eingangs beschriebene
Signalaufbereitungseinheit und die eingangs beschriebene Datenverarbeitungseinheit
bereitgestellt. Zum Sensor wird zumindest ein erster Kalibrierwert
erfasst, nämlich
zu (vor-)bestimmten Werten der physikalischen Größe werden die vom Sensor abgegebenen
Signale erfasst und daraus ein oder mehrere solche erste Kalibrierwerte
ermittelt, wobei ein Kalibrierwert sich dadurch auszeichnet, dass
er zur Beschreibung eines Zusammenhangs zwischen den vorbestimmten
Werten und den Signalen dient. Als Kalibrierwert kann der Wert eines
Versatzes (Offsets) angegeben werden oder ein Proportionalfaktor
mit dem die physikalische Größe zu multiplizieren
ist, um das jeweils vom Sensor abgebebene Signal zu erhalten bzw.
mithilfe dessen umgekehrt aus dem vom Sensor abgegebenen Signal
auf die physikalische Größe zurückgeschlossen
werden kann. Eine Mehrzahl von ersten Kalibrierwerten kann bereitgestellt werden,
wenn kompliziertere Zusammenhänge
bestehen: Dann kann eine vollständige
Kalibrierkurve aufgenommen werden.
-
Genauso
wird bei der Erfindung die Signalaufbereitungseinheit einzeln kalibriert:
Es werden von der Signalaufbereitungseinheit abgegebene Signale
zu (vor-)bestimmten Signalen gemessen, die dieser zugeführt werden,
wobei ein Sensor simuliert werden kann oder ein Sensor mit bekanntem
Verhalten verwendet wird und der Sensor bestimmte Werte der physikalischen
Größe erfährt, welche
eingestellt werden.
-
Zur
Signalaufbereitungseinheit wird zumindest ein zweiter Kalibrierwert
ermittelt. Dieser dient zum Beschreiben eines Zusammenhangs zwischen den
vorbestimmten Signalen, die der Signalaufbereitungseinheit zugeführt werden,
und den aufbereiteten, von dieser abgegebenen Signalen. Auch dieser zweite
Kalibrierwert kann einen Versatz angeben, kann ein Proportionalfaktor
sein, oder es kann eine Mehrzahl von solchen zweiten Kalibrierwerten
bereitgestellt sein, welche eine Kalibrierkurve definieren.
-
Nachdem
nun zumindest ein erster Kalibrierwert zum Sensor und zumindest
ein zweiter Kalibrierwert zur Signalaufbereitungseinheit zur Verfügung stehen,
wird bei der Erfindung zumindest ein Gesamtkalibrierwert aus diesen
Kalibrierwerten abgeleitet. Der Gesamtkalibrierwert beschreibt dann
den Zusammenhang zwischen Werten der vom Sensor erfassten physikalischen
Größe und den
bei Erfassen dieser physikalischen Größe durch den Sensor nach Aufbereitung
durch die Signalaufbereitungseinheit vom Sensor erhaltenen Signalen.
-
Es
werden nun Sensor, Signalaufbereitungseinheit und Datenverarbeitungseinheit
miteinander verkoppelt, der Leistungsschalter also z. B. in seiner fertigen
Form gebaut. Nachfolgend wird der zumindest eine Gesamtkalibrierwert
durch die Datenverarbeitungseinheit verwendet, um einen Wert einer
physikalischen Größe aufgrund
von der Datenverarbeitungseinheit von der Signalaufbereitungseinheit
zugeführten
Signalen zuzuordnen.
-
Die
physikalische Größe ist somit
der Datenverarbeitungseinheit bekannt, und diese ist in der Lage,
gegebenenfalls in Abhängigkeit
von der physikalischen Größe weitere
Schritte durchzuführen,
seien diese Berechnungsschritte oder die Abga be von Steuerbefehlen
an weitere Einheiten des Leistungsschalters.
-
Die
Erfindung unterscheidet sich in zwei Punkten vom Stand der Technik:
Zum einen werden die üblicherweise
zu den Sensoren gemessenen exakten Kalibrierwerte nachfolgend verwendet.
Zum anderen wird durch den Hersteller des Leitungsschalters nicht
mehr eine Kalibrierstrecke vermessen, die aus Sensor und Signalaufbereitungseinheit gemeinsam
besteht, sondern es wird die Signalaufbereitungseinheit einzeln
kalibriert. Dadurch, dass für die
zwei Teileinheiten der bisherigen Kalibrierstrecke, also Sensor
und Signalaufbereitungseinheit, einzeln jeweils Kalibrierwerte zur
Verfügung
stehen, lassen sich hochpräzise
Werte erhalten. Sensor oder auch Signalaufbereitungseinheit können jederzeit
ausgetauscht werden, wenn zu den neuen Einheiten Kalibrierwerte
bereitgestellt werden.
-
Eine
bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gegeben,
wenn der Sensor ein Stromsensor ist, wobei insbesondere bei Rogowski-Wandlern
das Verfahren besonders einfach durchführbar ist, weil diese typischerweise
ein lineares Verhalten haben, so dass den Rogowski-Wandlern ein
einziger Kalibrierwert (typischerweise ein Proportionalfaktor) zugeordnet
werden kann.
-
Grundsätzlich kann
das erfindungsgemäße Verfahren
an ein und demselben Ort durchgeführt werden. Es ist jedoch möglich, dass
das Erfassen des zumindest einen ersten Kalibrierwerts nach wie vor
durch den Hersteller des Sensors erfolgt. Das Bereitstellen des
zumindest einen ersten Kalibrierwerts kann durch den Hersteller
des Sensors an seine Abnehmer erfolgen, indem der erste Kalibrierwert
in geschriebener oder gedruckter Form auf einem Träger vorgesehen
wird. Der einfachste Fall ist, dass der Sensor selbst der Träger ist,
und dann geht die Information über
den ersten Kalibrierwert auch kaum verloren. Die Information kann
jedoch selbstverständlich auch
auf einer Verpackung des Sensors oder einem Informationsblatt zu
dem Sensor bereitgestellt sein.
-
Grundsätzlich können als
erste Kalibrierwerte eine Mehrzahl von Werten bereitgestellt sein,
die eine Kalibrierkurve definieren, und gleiches gilt für den zweiten
Kalibrierwerte. Besonders einfach ist das Verfahren handhabbar,
wenn der erste und der zweite Kalibrierwert jeweils einen Proportionalfaktor wiedergeben,
denn dann lässt
sich zu diesen ein Gesamtkalibrierwert als Produkt bilden. Als Produkt lässt sich
jedoch auch eine Gesamtkalibrierwertkurve bilden, wenn einzelne
Punkte von zwei Kalibrierkurven zum Sensor und zur Signalaufbereitungseinheit einer
Multiplikation unterzogen werden. Hierbei wäre dann aber zu beachten, dass
solche Punkte der Kalibrierkurven einander zugeordnet sein müssen, sodass
gegebenenfalls zu einer der beiden Kalibrierkurven Zwischenwerte
berechnet werden müssen.
-
Die
Erfindung findet ihren Niederschlag in einem Sensor mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch
6: Das erfindungsgemäße Verfahren
wird nämlich
besonders einfach verwirklichbar, wenn ein Hersteller eines Sensors
zum Erfassen einer physikalischen Größe auf dessen Oberfläche eine
Information über
einen exakten Kalibrierwert aufbringt. Der Kalibrierwert kann durch
einen Strichcode oder 2D-Code mitgeteilt werden oder alternativ
oder ergänzend
hierzu als Zahlenfolge, gegebenenfalls mit einer Checksumme. Der
Kalibrierwert soll einen Zusammenhang zwischen Werten der physikalischen Größe, zu dessen
Erfassen der Sensor dient, und vom Sensor bei Gegebensein solcher
Werte abgegebenen Signalen im Rahmen einer Messgenauigkeit bei einer
vorher durchgeführten
Kalibrierung exakt beschreiben. Anders als bisher wird der Sensor
daher nicht mehr grob einer bestimmten Toleranzklasse zugeordnet,
sondern jeder Sensor ist ein Einzelstück, dem ein jeweils eigener
Kalibrierwert zugeordnet ist.
-
Ein
Leistungsschalter mit einem solchen Sensor verwirklicht die Erfindung
ebenfalls, denn das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den
Hersteller eines solchen Leistungsschalters besonders einfach durchführbar.
-
Die
Erfindung ermöglicht
insbesondere auch das Austauschen eines Sensors ohne ein Neukalibrieren
der nicht ausgetauschten Teile. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren
zum Teil bei der Erstherstellung des Leistungsschalters bzw. seines
Sensors zuvor und vollständig
durchgeführt,
und später
werden einzelne Schritte nochmals durchgeführt. Werden die später nicht
mehr durchgeführten Schritte
aus der vorher vollständigen
Durchführung des
Verfahrens einbezogen, ergibt sich insgesamt nochmals das erfindungsgemäße Verfahren.
-
Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
-
1 schematisch
die Anordnung der zur Beschreibung der Erfindung wesentlichen Bauteile eines
Leistungsschalters veranschaulicht und
-
2 eine
bei dem erfindungsgemäßen Schrittfolge
veranschaulicht.
-
Eine
in 1 im Ganzen mit 10 bezeichnete Anordnung
ist Teil eines (in den Figuren nicht gezeigten) Leistungsschalters.
Ein Sensor 12 dient zum Erfassen einer physikalischen Größe und gibt
abhängig vom
Wert der physikalischen Größe gemäß dem Pfeil 14 Signale
an eine Signalaufbereitungseinheit 16 ab. Der Sensor 12 ist
z. B. ein Rogowski-Wandler, der eine Stromstärke erfasst. Die Signalaufbereitungseinheit 16 bereitet
die Signale vom Sender 12 auf und gibt die so aufbereiteten
Signale gemäß dem Pfeil 18 an
eine Datenverarbeitungseinheit 20 ab. Diese wertet die
einkommenden Signale aus und führt
weitere Berechnungen durch oder gibt gemäß den Pfeilen 22 Steuerbefehle
an weitere, in 1 nicht gezeigte Einheiten ab.
-
Bei
Messungen ist grundsätzlich
ein Kalibrieren erforderlich: Es muss der Zusammenhang zwischen
den tatsächlichen
Werten einer physikalischen Größe (Ist-Werten)
und den ausgegebenen Signalen bekannt sein. Im Stand der Technik
wird gemäß dem Pfeil 24 die
gesamte Anordnung aus Sensor 12 und Signalaufbereitungseinheit 16 kalibriert:
Bei hinter den Sensor 12 geschalteter Signalaufbereitungseinheit
werden bestimmte Werte der vom Sensor 12 zu erfassenden
physikalischen Größe eingestellt
und gleichzeitig die gemäß dem Pfeil 18 abgegebenen
Signale erfasst. Genauso kann die physikalische Größe bei Eingestelltsein
von Werten durch eine zweite Anordnung gemessen werden. Der Zusammenhang kann
durch einen einzelnen Kalibrierwert (z. B. einen Proportionalfaktor)
beschrieben werden, gegebenenfalls ist eine Mehrzahl von Kalibrierwerten
zu unterschiedlichen Werten der physikalischen Größe, somit also
eine Kalibrierkurve, anzugeben.
-
Anders
als im Stand der Technik wird bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
die in 2 angegebene Schrittfolge durchgeführt:
Der
Sensor 12 wird einzeln kalibriert, also gemäß Schritt
S10 vermessen: Es werden bei bekannten Werten der physikalischen
Größe die vom
Sensor 12 gemäß dem Pfeil 14 abgegebenen
Signale erfasst. Beim Vermessen des Sensors wird ein exakter Kalibrierwert
(z. B. zwischen der physikalischen Größe und den ausgegebenen Signalen)
ermittelt, oder auch eine Mehrzahl von solchen Kalibrierwerten.
Gemäß Schritt
S12 wird zu dem Sensor dieser exakte Kalibrierwert bzw. werden diese
exakten Kalibrierwerte angegeben. Die Angabe kann z. B. in Form
eines Strichcodes oder 2D-Codes auf dem Sensor erfolgen, der durch
eine geeignete Ausleseeinheit ausgelesen wird. Genauso oder zusätzlich kann
der Kalibrierwert über
einen Zahlencode oder als exakter Zahlenwert auf den Sensor 12 angegeben
sein, und die Zahl wird von einer Bedienperson über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle
in den Leistungsschalter eingegeben, sodass die Datenverarbeitungseinheit
den exakten Kalibrierwert kennt.
-
Nun
wird die Elektronik vermessen, also die Signalaufbereitungseinheit 16 (Schritt
S14). Im Rahmen der so durchgeführ ten
Kalibrierung wird ein Kalibrierwert ermittelt oder wird eine Mehrzahl
von solchen Kalibrierwerten ermittelt.
-
Nun
wird in Schritt S16 ein (Gesamt-)Kalibrierwert oder eine Mehrzahl
von solchen Kalibrierwerten aus den in Schritt S10 und S14 ermittelten
Kalibrierwerten zum Sensor einerseits und zur Signalaufbereitungseinheit 16 andererseits
ermittelt. Sind die Kalibrierwerte zu diesen Einheiten jeweils Proportionalfaktoren,
kann der Gesamtkalibrierwert in Schritt S16 einfach durch Multiplizieren
der beiden Proportionalfaktoren gewonnen werden, und man erhält einen
neuen Proportionalfaktor.
-
Der
so gewonnene Gesamtkalibrierwert wird nachfolgend gemäß Schritt
(S18) von der Verarbeitungseinheit im Betrieb verwendet: Wenn der
Sensor 12 also die physikalische Größe erfasst und von deren Wert
abhängige
Signale gemäß dem Pfeil 14 abgibt,
die Signalaufbereitungseinheit 16 diese Signale empfängt und
nach Aufbereitung die Signale gemäß dem Pfeil 18 an
die Datenverarbeitungseinheit 20 abgibt, kann die Datenverarbeitungseinheit 20 aus
den gemäß dem Pfeil 18 abgegebenen
Signalen auf den Wert der physikalischen Größe zurückschließen, und zwar eben unter Verwendung
des in Schritt S16 gewonnenen Kalibrierwerts bzw. der Mehrzahl von
solchen Kalibrierwerten.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt ein wesentlich exakteres Erfassen von Werten der physikalischen
Größe, weil
die beiden Teilbeiträge, die
der Sensor 12 einerseits und die Signalaufbereitungseinheit 16 andererseits
zu den gemäß dem Pfeil 18 bei
der Datenverarbeitungseinheit 20 hereingelangenden Signale
leisten, für
sich erfasst werden.