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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation einer Phasenlage von Sinussignalen zur Anregung von Messbrücken von induktiven Mess-Sensoren.
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Anwendungsgebiete
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Ein induktiver Messtaster kann im Wesentlichen aus einem Gehäuse bestehen, welches starr in einer Mess-Vorrichtung montiert ist, und kann einen Bolzen umfassen, welcher sich in diesem Gehäuse der Länge nach bewegen kann. Ein induktiver Messtaster enthält ferner eine induktive Messbrücke (siehe 4). Die Induktivität einer ihrer Spulen ändert sich, wenn der Messtaster-Bolzen bewegt wird, indem dieser einen Magneten in der Spule bewegt. Die Messbrücke wird mit einem Sinus-Signal UIN angeregt, welches über einen Sinus-Generator erzeugt wird. In der Mitte der Brücke entsteht dadurch ebenfalls ein Sinus-Signal UA. Dieses hat je nach den Induktivitätsverhältnissen eine andere Phase und/oder Amplitude. Über einen phasenselektiven Gleichrichter kann daraus ein Mess-Signal in Form einer Gleichspannung erzeugt werden. Dieses Mess-Signal ist proportional zur Messtaster-Position.
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Induktive Messtaster werden beispielsweise in der Fertigungsmesstechnik zur Qualitätskontrolle eingesetzt. Es lassen sich damit Kurbelwellen, Getriebeteile, Automobilkolben, etc. mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 µm vermessen.
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Bei vielen Mess-Vorrichtungen werden mehrere Messtaster gleichzeitig eingesetzt und die dabei erfassten Messwerte miteinander verrechnet.
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Stand der Technik
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Im Zusammenhang mit der Erfindung ist relevant, wie für mehrere Messtaster ein Sinus-Signal erzeugt bzw. verteilt wird. Deshalb wird nachfolgend speziell auf diesen Teil des Standes der Technik eingegangen.
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Gemeinsamer Sinus-Generator für mehrere Messtaster
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Bei dieser Variante wird das vom Sinus-Generator erzeugte Sinus-Signal für mehrere Messtaster gemeinsam verwendet. (siehe 1). Die Auswertung über den phasenselektiven Gleichrichter erfolgt separat für jeden Messtaster. Diese Variante ist besonders bei Anwendungen mit mehreren Messtastern äußerst kostengünstig, da nur ein einziger Sinus-Generator benötigt wird. Sie ist in der Praxis allerdings nur für räumlich beieinander liegende Mess-Anordnungen geeignet. Würde man das Sinus-Signal über große Wegstrecken „transportieren“, so wäre der Aufwand für eine EMV-gerechte Verkabelung so groß, dass dieser die Kostenersparnis wieder zunichtemachen würde („EMV“ - Elektromagnetische Verträglichkeit). Zudem würde dabei ein Spannungsabfall entstehen, der sich negativ auf die Signalqualität und damit auf die Messgenauigkeit auswirkt.
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Je Messtaster ein Sinusgenerator
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Bei dieser Variante existiert für jeden Messtaster ein separater Sinus-Generator (siehe 2). Diese Variante ist verhältnismäßig teuer, da für jeden Messtaster ein separater Sinus-Generator erforderlich ist. Dafür bietet sie ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich einer EMVgerechten Verteilung des Sinus-Signals bei einer weit auseinander liegenden räumlichen Anordnung der Messtaster. Jeder Sinus-Generator kann hier nah am Messtaster sitzen, so dass das Sinus-Signal nicht über lange Kabelstrecken verteilt werden muss.
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Je Messtaster-Gruppe ein Sinus-Generator
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Diese Variante ist eine Mischung der beiden zuvor beschrieben Varianten. Hier werden die Messtaster zwar von separaten Sinus-Generatoren versorgt, allerdings immer gruppenweise. In dem in 3 dargestellten Beispiel sind beispielsweise 16 Messtaster vorgesehen, welche in zwei Gruppen aufgeteilt sind. Jede Gruppe hat einen eigenen Sinus-Generator. Diese Variante ist einerseits kostengünstig, da sich die Kosten eines Sinus-Generators auf mehrere Messtaster verteilen. Andererseits bietet sie auch ein gewisses Maß an Flexibilität, da eine räumlich auseinander liegende Verteilung der Messtaster-Gruppen auch keine weiträumige Verteilung des Sinus-Signals erfordert und dadurch auch keine Verkabelung für die Übertragung des Sinus-Signals erforderlich ist.
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Bewertung der bestehenden Verfahren
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Die Variante der Verwendung eines gemeinsamen Sinus-Generators (siehe das vorstehende Kapitel „Gemeinsamer Sinus-Generator für mehrere Messtaster“) stirbt immer mehr aus, da sie praktisch nur für ein großes zentrales Mess-System geeignet ist.
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Die heutigen Mess-Aufgaben sind aber sehr unterschiedlich und reichen von kleinen Prüfständen mit einem oder wenigen Messtastern bis hin zu großen Mess-Anlagen mit vielen Messtastern. Deshalb bieten dezentrale Mess-Systeme deutlich mehr Flexibilität bei oft geringeren Kosten. Deren Realisierung ist sowohl technisch als auch kostenmäßig nur bei Verwendung von mehreren Sinus-Generatoren wie in den vorstehenden Kapiteln „Je Messtaster ein Sinusgenerator“ und „Je Messtaster-Gruppe ein Sinus-Generator“ beschrieben sinnvoll, da sonst zu viel Aufwand für eine EMV-gerechte Verkabelung erforderlich wäre.
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Problem „nicht-synchrone Sinus-Generatoren"
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In praktischen Anwendungen hat sich gezeigt, dass die in den vorstehenden Kapiteln „Je Messtaster ein Sinusgenerator“ und „Je Messtaster-Gruppe ein Sinus-Generator“ beschriebenen Verfahren ein Problem mit sich bringen:
- Wenn mehrere Sinus-Generatoren nicht synchron sind (bereits kleine Frequenzunterschiede genügen) und die Verkabelung der Taster EMV-technisch nicht sauber ist, so stören sich die Signale der Messtaster gegenseitig. Diese Störungen sind auch auf dem gleichgerichteten Mess-Signal zu sehen, d.h. das Mess-Signal wird verfälscht.
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Es gibt zwei Möglichkeiten dieses Problem zu beheben:
- a) Die Messtaster-Verkabelung ist so, dass keine Störungen auftreten können (d.h. korrekte Schirmung, korrekte Verlegung der Kabel, etc.). Diese Lösung ist oft nicht möglich, da es sich um Spezialmessaufbauten von Fremdfirmen handelt.
- b) Verschiedene Sinus-Generatoren werden miteinander synchronisiert, so dass sich die Signale nicht gegenseitig stören können.
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Die zweite Möglichkeit ist aus Sicht eines Herstellers der Messelektronik die bessere Wahl, da dies den Support-Aufwand deutlich reduziert und gleichzeitig auch einen Wettbewerbsvorteil darstellt.
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US 2006/0056560 A1 Diese Druckschrift betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synchronisation eines internen Zustands von Frequenzgeneratoren über ein Kommunikationsnetzwerk. Diese Druckschrift offenbart bestimmte Merkmale bezüglich einer Synchronisation von digitalen Signalen betreffend eine Phaseninformation, die von einem externen digitalen Signalgenerator, der eine hochgenaue Referenz-Uhr enthält, mit einer einstellbaren Frequenz erzeugt und einer eine Master-Uhr enthaltenden Master-Recheneinheit zugeführt werden, mit welcher eine Master-Frequenz erzeugt wird. Die Master-Frequenz wird in der Master-Recheneinheit mit der externen Frequenz derart synchronisiert, dass eine Phasenlagenabweichung zwischen den digitalen Phasensignalen Null Grad beträgt. Die auf diese Art und Weise mit der Referenz-Frequenz synchronisierte digitale Master-Frequenz wird mittels einer als „look-up table“ bezeichneten und in der Master-Recheneinheit abgespeicherten Nachschlagtabelle in Sinussignale umgewandelt. Die Master-Recheneinheit versendet über eine standardmäßige Paketdatenverbindung Pakete in Form von Kontroll-Wörtern, welche Informationen betreffend die Master-Uhr enthalten, an ein oder mehrere Slave-Uhren, um die Slave-Uhren mit der Master-Uhr zu synchronisieren.
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EP 0 271 849 A2 Diese Druckschrift betrifft ein Impedanzmessgerät, insbesondere zur Bestimmung der durch Eintauchen in eine Flüssigkeit veränderlichen Impedanz eines kapazitiven Sensors. In der Beschreibungseinleitung dieser Druckschrift ist erwähnt, dass Impedanzmessgeräte bekannt seien, die zur Bestimmung des Wirkwiderstandes eines Messobjekts eine Brückenschaltung verwenden oder nach einem Kompensationsverfahren arbeiten. Dabei komme die sinusförmige elektrische Wechselspannung, welche dem Messobjekt als Messsignal eingespeist wird, üblicherweise aus einem Signalgenerator, bei dem die Wahl zwischen einigen fest eingestellten Frequenzen des Messsignals möglich sei. Das erfindungsgemäße Impedanzmessgerät hat als Signalquelle einen das zu untersuchende Messobjekt speisenden digitalen Signalgenerator, in welchem eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt wird.
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DE 28 32 222 A1 Diese Druckschrift betrifft eine Vorrichtung zum Simulieren von Bezugssignalen, die von einem Weg- oder Kurssender eines ILS-Systems abgegeben werden. Eine derartige Vorrichtung dient zum Testen von Bordgeräten, beispielsweise eines Flugzeugs, von denen die von einem ILS-Kurssender abgegebenen Signale empfangen und genutzt werden können, um die Position des Flugzeugs zu bestimmen. Hierzu wird eine „Phasenverschiebung“ zwischen zwei jeweils von einem Numerikgenerator erzeugten Sinusmodulationssignalen simuliert. Dazu ist ein numerischer Phasenverschieber mit Steuereingängen vorgesehen, der zwischen zwei „Ketten“ liegt und der ausgehend vom Durchlauf der Phase bei 0 Grad des von einem der Numerikgeneratoren erzeugten Sinusmodulationssignals das andere Sinusmodulationssignal mit einer variablen Verzögerung initialisieren kann. Zweckmäßigerweise besteht ein derartiger Phasenschieber aus einem numerischen Wertzähler mit programmierbarer Zählung.
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US 2009/0295460 A1 Diese Druckschrift betrifft eine elektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Auswertung einer variablen Kapazität. Ein digitaler Signalgenerator in Form eines Pulsbreitenmodulators stellt ein aus digitalen Pulsen bestehendes, digitales, pulsbreitenmoduliertes Erregungssignal bereit, das anschließend von dem Pulsbreitenmodulator ausgegeben wird. Dieses Erregungssignal wird gefiltert und das gefilterte Signal wird zu einem analogen Sinussignal umgewandelt.
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Ziel
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei welchem die vorstehenden Nachteile vermieden werden und welches eine besonders kostengünstige Synchronisierung der Sinussignale von dezentralen Sinusgeneratoren ermöglicht. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das durch eine Verwendung bewährter Standard-Technik kostengünstig verwirklichbar ist.
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Erfindung
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Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Demgemäß betrifft die Erfindung ein zur Synchronisation einer Phasenlage von Sinussignalen zur Anregung von Messbrücken von induktiven Mess-Sensoren, wobei in einer dezentralen Mess-Einrichtung mehrere räumlich getrennte Mess-Einheiten vorgesehen sind, von denen wenigstens zwei Mess-Einheiten jeweils mittels eines eine Messbrücke enthaltenden induktiven Mess-Sensors, insbesondere induktiven Wegaufnehmers, vorzugsweise induktiven Messtasters, Messwerte einer Messgröße, insbesondere den Durchmesser, die Form, die Oberflächenmikrostruktur und/oder die Rauheit, eines Messobjekts erfassen, wobei jede Messbrücke mit einem analogen Sinussignal angeregt wird, das von einem Signalgenerator erzeugt wird, und wobei es sich bei dem jeweiligen Signalgenerator um einen digitalen Signalgenerator handelt, der ein digitales, auch mit Rechteck-Signal bezeichenbares, Signal mit einer digital einstellbaren Frequenz erzeugt, das mittels eines Signalumwandlers, vorzugsweise Signalfilters, in ein analoges Sinussignal umgewandelt wird, mit dem die Messbrücke des induktiven Mess-Sensors der jeweiligen Mess-Einheit der besagten wenigstens zwei Messeinheiten angeregt wird, und wobei jede Mess-Einheit der wenigstens zwei Mess-Einheiten eine elektronische Recheneinheit enthält, die mindestens eine digitale Datenübertragungsschnittstelle umfasst, über welche die Messwerte wenigstens einer elektronischen ersten Recheneinheit einer ersten Mess-Einheit der wenigstens zwei Mess-Einheiten an wenigstens eine räumlich getrennt zu der ersten Recheneinheit angeordnete, elektronische, zweite Recheneinheit, vorzugsweise einer Mess-Einheit der räumlich getrennten Mess-Einheiten, der dezentralen Messeinrichtung übertragen werden, und wobei eine einzige, auch als Master-Recheneinheit bezeichenbare, elektronische Haupt-Recheneinheit und mehrere, auch als Slave-Recheneinheiten bezeichenbare, elektronische Neben-Recheneinheiten der wenigstens zwei Mess-Einheiten vorgesehen sind, wobei von der Haupt-Recheneinheit zu bestimmten Zeitpunkten jeweils ein digitales Telegramm zur Synchronisation der Phasenlage der Sinussignale der Neben-Recheneinheiten über eine digitale Haupt-Datenübertragungsschnittstelle und über die digitalen Datenübertragungsschnittstellen der Neben-Recheneinheiten an die Neben-Recheneinheiten gesendet wird, wobei bei jeder Mess-Einheit der wenigstens zwei Mess-Einheiten sowohl die Messwerte als auch das jeweilige digitale Telegramm zur Synchronisation der Phasenlage der deren jeweilige Messbrücke anregenden Sinussignale über eine einzige gemeinsame digitale Datenübertragungsschnittstelle mit einer konstanten Datenübertragungsrate übertragen werden, wobei die Phasenlagen der Sinussignale über die jeweilige digitale Datenübertragungsschnittstelle derart synchronisiert werden, dass eine Phasenlagenabweichung zwischen den Sinussignalen Null Grad beträgt, und wobei die Haupt-Recheneinheit mehrere digitale Telegramme, über die jeweilige Datenübertragungsschnittstelle mit einer konstanten Datenübertragungsrate an die Neben-Recheneinheiten der wenigstens zwei Mess-Einheiten sendet, wobei jedes digitale Telegramm der digitalen Telegramme eine gleiche Datenlänge aufweist, so dass die Datenübertragungsdauer jedes digitalen Telegramms gleich groß ist, und wobei die Haupt-Recheneinheit einen, vorzugsweise digitalen, Haupt-Zeitgeber umfasst, der bewirkt, dass in einem bestimmten Zeitraster entsprechenden konstanten zeitlichen Abständen von der Haupt-Recheneinheit jeweils ein digitales Telegramm der digitalen Telegramme gleicher Datenlänge über die jeweilige digitale Datenübertragungsschnittstelle mit einer konstanten Datenübertragungsrate an die Neben-Recheneinheiten der wenigstens zwei Mess-Einheiten gesendet wird, und wobei jede Neben-Recheneinheit einen Neben-Zeitgeber umfasst, der, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Empfang eines von der Haupt-Recheneinheit an die jeweilige Neben-Recheneinheit gesendeten ersten digitalen Telegramms der digitalen Telegramme gestartet wird, wobei, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Empfang des ersten digitalen Telegramms der digitalen Telegramme die Neben-Recheneinheit jeder Mess-Einheit der wenigstens zwei Mess-Einheiten anhand der besagten konstanten Datenübertragungsdauer des ersten digitalen Telegramms der digitalen Telegramme eine Synchronisierungs-Restzeit berechnet, welche der Differenz der dem Zeitraster entsprechenden Zeit und der Datenübertragungsdauer des ersten digitalen Telegramms entspricht, wonach der jeweilige Neben-Zeitgeber zum Zwecke seiner zeitlichen Synchronisierung mit dem Haupt-Zeitgeber mit der Synchronisierungs-Restzeit gestartet wird, so dass, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Ablaufen der dem Zeitraster entsprechenden Zeit die Synchronisierungs-Restzeit abläuft und damit der jeweilige Neben-Zeitgeber mit dem Haupt-Zeitgeber zeitlich synchronisiert ist, wobei, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Ablaufen der Synchronisierungs-Restzeit die Signalgeneratoren der Neben-Recheneinheiten, vorzugsweise auch ein Signalgenerator der Haupt-Recheneinheit, jeweils mit einer Phasenlage von Null Grad gestartet werden, und wobei, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Ablaufen einer bei dem Haupt-Zeitgeber eingestellten dem Zeitraster entsprechenden Zeitgeberzeit, der Haupt-Zeitgeber erneut mit einem dem Zeitraster entsprechenden Zeitgeberzeit gestartet wird, wobei zugleich die Haupt-Recheneinheit ein nächstes digitales Telegramm der digitalen Telegramme gleicher Datenlänge an die Neben-Recheneinheiten sendet, mit dessen Empfang der jeweilige Neben-Zeitgeber jeder Neben-Recheneinheit mit einer dem gleichen Zeitraster entsprechenden Zeitgeberzeit gestartet wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können digital erzeugte periodische Signale auf verschiedenen Recheneinheiten miteinander synchronisiert werden. Besonders hervorzuheben ist, dass dieses Verfahren durch die Verwendung von bewährter Standardtechnik kostengünstig zu realisieren ist.
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Die besagten Sinussignale können auch mit Sinusschwingungen bezeichnet werden.
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Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass zumindest das von der Haupt-Recheneinheit an die Neben-Recheneinheiten der wenigstens zwei Mess-Einheiten gesendete erste digitale Telegramm einen digitalen Wert der gewünschten Frequenz des Sinussignals zur Anregung der jeweiligen Messbrücke der wenigstens zwei Mess-Einheiten enthält, wobei zumindest basierend auf diesem ersten digitalen Telegramm eine Synchronisierung der Phasenlage der Sinus-Signale erfolgt oder wobei zumindest mittels dieses ersten digitalen Telegramms eine Synchronisierung der Phasenlage der Sinussignale bewirkt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Empfang jedes zeitlich dem ersten digitalen Telegramm nachfolgenden, ebenfalls von der Haupt-Recheneinheit abgesendeten, digitalen Telegramms der digitalen Telegramme gleicher Datenlänge durch die Neben-Recheneinheiten, mittels einer Recheneinheit oder mittels der jeweiligen Neben-Recheneinheit jeweils ein rechnerischer Vergleich eines Phasenlagen-Sollwertes mit einem Phasenlagen-Istwert des jeweiligen Sinussignals vorgenommen wird und abhängig von einer bestimmten, vorzugsweise wählbaren, durch die Differenz des Phasenlagen-Sollwertes und des Phasenlagen-Istwertes gebildeten Phasenlagenabweichung, mittels der wenigstens einen Recheneinheit oder mittels der jeweiligen Neben-Recheneinheit eine rechnerische Korrektur der Phasenlagenabweichung dadurch erfolgt, dass der Phasenlagen-Istwert, entweder, wenn die Phasenlagenabweichung positiv ist, rechnerisch um diese Phasenlagenabweichung nach unten korrigiert wird, oder, wenn die Phasenlagenabweichung negativ ist, rechnerisch um diese Phasenlagenabweichung nach oben korrigiert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass im Falle einer positiven Phasenlagenabweichung die Phasenlage der Sinussignale derart synchronisiert wird, dass eine, vorzugsweise unmittelbar nachfolgende, Folgeperiode um eine dem Betrag der Phasenlagenabweichung entsprechende Laufzeitdifferenz verkürzt wird, so dass, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Empfang eines zeitlich nachfolgenden digitalen Telegramms der digitalen Telegramme gleicher Datenlänge oder, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Empfang des nächsten digitalen Telegramms der digitalen Telegramme gleicher Datenlänge, der Signalgenerator der jeweiligen Neben-Recheneinheit mit einer Phasenlage von Null Grad gestartet wird, oder, dass im Falle einer negativen Phasenlagenabweichung, die Phasenlage der Sinussignale derart synchronisiert wird, dass eine, vorzugsweise unmittelbar nachfolgende, Folgeperiode um eine dem Betrag der Phasenlagenabweichung entsprechende Laufzeitdifferenz verlängert wird, so dass, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Empfang eines zeitlich nachfolgenden digitalen Telegramms der digitalen Telegramme gleicher Datenlänge oder, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig oder gleichzeitig, mit dem Empfang des nächsten Telegramms der digitalen Telegramme gleicher Datenlänge, der Signalgenerator der jeweiligen Neben-Recheneinheit mit einer Phasenlage von Null Grad gestartet wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Phasenlagenabweichung des jeweiligen Sinussignals rechnerisch derart korrigiert wird, dass das jeweilige Sinussignal stetig verläuft bzw. frei von Unstetigkeiten bzw. Sprüngen ist.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Neben-Recheneinheit der wenigstens zwei Mess-Einheiten den jeweiligen digitalen Signalgenerator enthält.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Haupt-Recheneinheit einen digitalen Signalgenerator enthält.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass jede Neben-Recheneinheit jeweils einen digitalen Signalgenerator oder den jeweiligen digitalen Signalgenerator als Neben-Zeitgeber enthält und/oder dass die Haupt-Recheneinheit einen digitalen Signalgenerator oder den digitalen Signalgenerator als Haupt-Zeitgeber enthält.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein digitaler Signalgenerator oder der jeweilige digitale Signalgenerator der jeweiligen Neben-Recheineinheit und/oder dass ein digitaler Signalgenerator oder der digitale Signalgenerator der Haupt-Recheineinheit, eine Pulsweitenmodulationseinheit eines Mikrocontrollers ist oder jeweils eine Pulsweitenmodulationseinheit eines Mikrocontrollers sind.
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Zweckmäßigerweise kann es sich bei der Datenübertragungsschnittstelle jeder Mess-Einheit um eine, vorzugsweise synchrone oder asynchrone, serielle Schnittstelle handeln. Derartige Datenübertragungsschnittstellen sind besonders kostengünstig verfügbar.
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Es versteht sich, dass der Fachmann die vorstehenden Merkmale und Maßnahmen sowie die aus den Ansprüchen und die aus den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Maßnahmen im Rahmen der Ausführbarkeit beliebig kombinieren kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Einzelheiten und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungsteil, in dem ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung anhand der 4 und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 5 bis 7 beschrieben ist, während die 1 bis 3 den Stand der Technik betreffen. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung eine signalerzeugende Anordnung nach dem Stand der Technik, bei welcher ein gemeinsamer Sinus-Generator für mehrere Messtaster vorgesehen ist,
- 2 in schematischer Darstellung eine signalerzeugende Anordnung nach dem Stand der Technik, bei welcher je Messtaster ein Sinus-Generator vorgesehen ist,
- 3 in schematischer Darstellung eine signalerzeugende Anordnung nach dem Stand der Technik, mit zwei Messtaster-Gruppen, wobei je Messtaster-Gruppe ein Sinus-Generator vorgesehen ist,
- 4 in schematischer Darstellung eine eine induktive Messbrücke enthaltende signalerzeugende Anordnung nach dem Stand der Technik,
- 5 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine digitale Erzeugung eines Sinus-Signals,
- 6 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Vorgehen beim Start einer synchronen Sinus-Generierung,
- 7 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Vorgehen beim bzw. zum Nachjustieren der Synchronisation.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist für dezentrale Mess-Systeme gedacht. Es beruht gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf den folgenden wesentlichen Merkmalen:
- a) die Sinus-Signale werden digital erzeugt;
- b) die signalerzeugenden Einheiten werden über eine digitale Kommunikationsschnittstelle miteinander synchronisiert.
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Digitale Erzeugung von Sinus-Signalen
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Für die digitale Erzeugung von Sinus-Signalen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Nachfolgend wird eine Möglichkeit beschrieben:
- Eine digitale Signal-Einheit, vorzugsweise eine PWM-Einheit (Pulsweitenmodulations-Einheit) eines Mikrocontrollers, erzeugt ein Rechteck-Signal mit der gewünschten Sinus-Frequenz. Dieses Rechteck-Signal wird anschließend so gefiltert, dass daraus ein Sinus-Signal entsteht (siehe 5).
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Die Erfindung ist nicht auf diese Möglichkeit der digitalen Sinus-Erzeugung beschränkt. Entscheidend ist, dass die Frequenz der Signal-Erzeugung digital eingestellt werden kann.
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Synchronisation von digitalen Signal-Einheiten
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Jede digitale Signal-Einheit ist Teil einer Rechnereinheit. Jede Rechnereinheit enthält mindestens eine digitale Kommunikationsschnittstelle, vorzugsweise eine serielle Schnittstelle. Über diese Kommunikationsschnittstelle werden Daten bzw. Messwerte mit anderen Rechnereinheiten ausgetauscht.
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Es gibt dabei genau eine, auch als Haupt-Recheneinheit bezeichnete, Master-Rechnereinheit und beliebig viele, auch als Neben-Rechnereinheiten bezeichnete, Slave-Rechnereinheiten.
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Diese Kommunikationsschnittstelle wird neben der Datenübertragung auch dazu verwendet die digitalen Signal-Einheiten und damit die Sinus-Generierung zu synchronisieren.
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Funktionsweise:
- - Für die digitale Datenübertragung wird eine Datenschnittstelle mit einer konstanten Datenübertragungsrate verwendet.
- - Über diese Datenschnittstelle werden Telegramme nur mit einer festen Datenlänge versendet. Mit anderen Worten werden über diese Datenschnittstelle mehrere Telegramme versendet, und zwar ausschließlich Telegramme mit einer festen Datenlänge. Dadurch ist die Übertragungsdauer der Telegramme konstant.
- - Die Master-Einheit sendet zyklisch ein Telegramm an die Slave-Einheiten.
- - Die Master-Einheit sendet einmalig zu Beginn die Frequenz des Sinus-Signals an die Slave-Einheiten (erstes Telegramm).
- - Beginnend mit dem zweiten Telegramm startet der Master die Sinus-Generierung mit der Phasenlage Null Grad.
- - Jeder Slave kann anhand der Übertragungsdauer zurückrechnen, wann ein Timer-Event bzw. ein Zeitgeber-Ereignis beim Master stattgefunden hat. Beginnend mit dem Empfang des ersten Telegramms berechnet der Salve daraus die aktuelle Sinus-Phasenlage und startet die Sinus-Generierung dann zum Beginn des zweiten Telegramms mit einer Phasenlage von Null Grad.
- - Im Laufe der Zeit werden die Sinus-Phasen der einzelnen Rechnereinheiten technisch bedingt auseinanderlaufen, da die Frequenz nie vollkommen exakt ist. Jeder Slave muss daher regelmäßig die Phasenlage nachjustieren. Dies macht er, indem er bei jedem empfangenen Kommunikationstelegramm die theoretische Phasenlage berechnet und mit der praktischen Phasenlage bzw. Ist-Phasenlage vergleicht. Bei einer Phasenlagen-Abweichung korrigiert er diese, vorzugsweise rechnerisch. Die Nachregelung erfolgt so, dass keine Frequenzsprünge erfolgen.
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Beispiel:
- - Gewünscht ist ein synchronisiertes 13 kHz Sinus-Signal. Dies entspricht einer Periodendauer von ca. 76,92 µs.
- - Es wird eine serielle Schnittstelle mit einer Datenübertragungsrate von 5 MBit/s verwendet. Ein Telegramm hat eine feste Länge von
- - Die Übertragungsdauer beträgt damit
- - Der auch als Zeitgeber bezeichenbare Timer der Master-Einheit läuft mit 500 µs. Bei dem ersten Zeitgeber- bzw. Timer-Ereignis (t - 0 ps) sendet die Master-Einheit ein Telegramm an alle Slave-Einheiten. Jede Slave-Einheit weiß dann bzw. berechnet, dass die Rest-Zeit bis zum nächsten Zeitgeber- bzw. Timer-Ereignis, und damit bis zum Beginn des nächsten Telegramms beträgt.
- - Jede Slave-Einheit startet zeitgleich einen eigenen Zeitgeber bzw. Timer mit tRest . Sobald dieser Timer abgelaufen ist, startet jeder Slave die Sinus-Generierung mit Phasenlage Null Grad, so dass deren Sinus-Signale phasen-synchron sind. Wenn dies der Master zu diesem Zeitpunkt ebenfalls macht, sind alle Sinus-Signale synchron.
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6 veranschaulicht diese Vorgehensweise nochmals grafisch.
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Theoretisch wäre das Ziel jetzt bereits erreicht. Durch Toleranzen laufen die Signal-Generatoren auf verschiedenen Rechnereinheiten in der Praxis aber nie exakt synchron. Minimale Fehler in der Frequenz sind in Bezug auf die Messung nicht störend, da sie praktisch keinen Einfluss auf den Messwert haben. Wenn sich diese aber über einen längeren Zeitraumhinweg aufsummieren, so kann ein relevanter Fehler in der Phasenlage entstehen. Dies ist nicht akzeptabel, denn dann wären die Sinus-Signale nicht mehr synchron.
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7 zeigt dies an dem vorhergehenden Beispiel, wo nach 50500 µs eine Phasenabweichung von 0,1 Grad entstanden ist. Diese wird nun von dem Slave wieder korrigiert, indem nach dem Telegrammempfang der Phasen-Istwert mit dem Phasen-Sollwert verglichen und erforderlichenfalls korrigiert wird.
