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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Testvorrichtung zum Erzeugen einer physikalischen Prüfgröße durch Erfassen eines freihändig gezeichneten Signalverlaufs zur Funktionsprüfung einer elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtung.
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Gemäß geltender Normen und Vorschriften, insbesondere in der Normenreihe DIN VDE 0100/IEC 60364, müssen Schutz- und Überwachungseinrichtungen als sicherheitsrelevante Bestandteile eines geerdeten oder ungeerdeten Stromversorgungssystems zyklischen Prüfungen unterzogen werden, um deren einwandfreie Funktion nachzuweisen. Bei standardisierten, normgemäßen Schutzeinrichtungen wie Überstrom-Schutzeinrichtungen und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD), wie Sie in der DIN VDE 0100-410/IEC 60364-4-41 beschrieben sind, sind die Vorgehensweise einer Prüfung und die einzustellenden Prüfparameter klar in der DIN VDE 0100-600/IEC 60364-6 und der DIN VDE 0105-100 geregelt.
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Insbesondere im industriellen Bereich wird das Ansprechverhalten diverser Schutz- und Überwachungseinrichtungen jedoch anwendungsspezifisch ausgewählt, da nur so ein Optimum aus Schutz gegen elektrischen Schlag und Brandschutz, aber auch maximaler Betriebssicherheit einer Industrieanlage gefunden werden kann. Auch in speziellen und neuartigen Anwendungen, welche (noch) keiner Norm unterliegen, müssen anwendungsspezifische Schutzkonzepte entwickelt und umgesetzt werden. Als Resultat dessen finden sich in diesen Anlagen unter anderem modulare Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (MRCD), Differenzstrom-Überwachungsgeräte (RCM) und Isolationsüberwachungsgeräte (IMD) mit beliebig eingestellten Ansprechparametern und Messprofilen.
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Wird der Schutz hinsichtlich Ansprechpegel und Auslösezeit anwendungsspezifisch geregelt, so verlässt man auch mit der Prüfung das standardisierte Terrain und benötigt Möglichkeiten, angepasst an die eingestellten Parameter und Profile der jeweiligen Schutz- oder Überwachungseinrichtung die Prüfungen durchzuführen.
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Ein Test umfasst hierbei nicht nur das rampenartige Anfahren eines Ansprechwertes und die Beobachtung, bei welchen Prüfwerten die Schutzeinrichtung auslöst oder das einfache Einfügen eines konstanten Fehlerwiderstands oder Fehlerstroms als Prüfgröße. Vielmehr beinhaltet das Testen in solchen Fällen einen zeitlichen Signalverlauf einer physikalischen Prüfgröße, welcher beliebige (Signal-)Formen annehmen kann. Als Elementarsignale sind unter anderem sinus-, rechteck- und pulsförmige oder auch exponentielle zeitliche Verläufe von Prüfgrößen wie beispielsweise ein zeitlicher Verlauf der Stromstärke oder eine zeitliche Änderung eines Widerstandswertes bekannt.
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Hier stellt sich nicht nur die Frage, ob eine Schutzeinrichtung vorschriftsmäßig anspricht, sondern auch, ob diverse Prüfgrößenverläufe zu Fehlinterpretationen seitens der Schutz- bzw. Überwachungseinrichtung und damit zu Fehlauslösungen führen können, welche im Sinne eines reibungslosen Anlagenbetriebs zu vermeiden wären.
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Aus dem Stand der Technik sind Installationstestgeräte bekannt, die über die Möglichkeit verfügen, Rampen zu fahren, d.h. die Prüfgröße (Stromstärke, Widerstandswert) wird so lange erhöht, bis die Ansprechwerte von IMDs, RCDs etc. erreicht werden und diese auslösen. Als Beispiel sei hier ein Gerät der Firma Gossen Metrawatt GmbH genannt, welches zur Prüfung eines IMDs den Widerstandswert als Prüfgröße innerhalb eines vorgebbaren Wertebereichs automatisch (linear) erhöht (Bedienungsanleitung https://www.gmc-instruments.de/media/ doku/ix/profitest-master-iq/profitest-master-seculifeip-iq-ba_d.pdf Seite 59ff).
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Als Nachteil der auf dem Markt verfügbaren Testgeräte erweist sich, dass über die bekannten sinus-, rechteck- und pulsförmigen oder auch exponentiellen Zeitverläufe der Prüfgröße hinaus anspruchsvollere, insbesondere frei vorgebbare, beliebige Prüfgrößenverläufe nicht oder nur mit erheblichem Aufwand generierbar sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, dem Betreiber der elektrischen Anlage bei einer Funktionsprüfung der elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtung eine Möglichkeit zu geben, beliebige anwendungsspezifische Zeitverläufe der Prüfgrößen auf unkomplizierte und bedienerfreundliche Weise vor Ort zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Freihändiges Zeichnen eines Signalverlaufs in ein x/y-Koordinatensystem auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm und Abbilden des gezeichneten Signalverlaufs mittels einer Recheneinheit auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm, Validieren des abgebildeten Signalverlaufs mittels der Recheneinheit, Nachbearbeiten des validierten Signalverlaufs durch digitale Signalverarbeitungsverfahren mittels der Recheneinheit, Skalieren des Wertebereichs und der Zeitachse des nachbearbeiteten Signalverlaufs mittels der Recheneinheit, Erzeugen eines zeitlichen Verlaufs der physikalischen Prüfgröße entsprechend dem skalierten Signalverlauf mittels eines elektronischen Prüfgrößen-Generators, und Anzeigen des aktuellen Wertes der Prüfgröße auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dem Anwender einer elektrischen Schutz- und Überwachungseinrichtung eine Möglichkeit anzubieten, durch freihändiges Zeichnen eines Zeitsignalverlaufs in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen digitalen Signalverarbeitung einen beliebigen anwendungsspezifischen zeitlichen Verlauf der physikalischen Prüfgröße (Zeitfunktion eines Stroms oder Widerstands) vorzugeben, diese physikalische Prüfgröße in einem elektronischen Prüfgrößen-Generator real zu erzeugen und zur Funktionsprüfung auf die elektrische Schutz- und Überwachungseinrichtung anzuwenden.
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Zunächst zeichnet der Benutzer freihändig einen beliebigen Signalverlauf mittels Stift oder Finger auf einen berührungsempfindlichen Bildschirm (Touch-Display). Der gezeichnete Signalverlauf wird mittels einer Recheneinheit durch Erkennen der gedrückten Displaypunkte (Pixel) unmittelbar als Linie in dem x/y-Koordinatensystem abgebildet, wobei die x-Achse die fortschreitende Zeit und die y-Achse den Wert (Betrag) der Prüfgröße wiedergibt.
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In einem nächsten Schritt wird der abgebildete Signalverlauf validiert, also mittels eines Algorithmus daraufhin geprüft, ob der Signalverlauf einen eindeutigen Funktionsverlauf y=f(x) repräsentiert und damit ein gültiger Signalverlauf vorliegt. Dabei werden nicht valide Funktionsverläufe, wie beispielsweise in der Zeitachse zurückwandernde Signalverläufe von der Recheneinheit erkannt und nach Möglichkeit hin zu einer validen Funktion korrigiert. Ist eine Korrekturmöglichkeit nicht erkennbar, wird der eingegebene Signalverlauf verworfen.
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Anschließend erfolgt ein Nachbearbeiten des validierten Signalverlaufs mittels Verfahren der digitalen Signalverarbeitung. Insbesondere kommen hier Filteralgorithmen zur Anwendung um Rauschanteile zu verringern und Ausreißer zu eliminieren.
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Der Wertebereich sowie die Zeitachse des nachbearbeiteten Signalverlaufs werden dann skaliert, um einen an die zu überprüfende Schutz- und Überwachungseinrichtung angepassten und der gewünschten Messaufgabe entsprechenden physikalischen Prüfgrößenverlauf generieren zu können.
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Abschließend wird die physikalische Prüfgröße in einem elektronischen Prüfgrößen-Generator entsprechend dem skalierten Signalverlauf erzeugt und die zu überprüfende Schutz- und Überwachungseinrichtung damit beaufschlagt.
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Gleichzeitig erfolgt eine Echtzeit-Anzeige des momentanen Wertes der physikalischen Prüfgröße auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird bei der Validierung ein Standard-Signalverlauf erzeugt.
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Die Validitätsprüfung ist um einen Algorithmus erweiterbar, welcher aus einem freihändig gezeichneten Signalverlauf durch Näherungsverfahren einen Standardsignalverlauf (Sinus, Rechteck, Trapez, ...) entwickelt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch eine Testvorrichtung gelöst mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm zum Erfassen und Abbilden eines freihändig gezeichneten Signalverlaufs in einem x/y-Koordinatensystem, einer Recheneinheit, die konfiguriert ist zum Abbilden des gezeichneten Signalverlaufs auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm, zum Validieren des abgebildeten Signalverlaufs, zum Nachbearbeiten des validierten Signalverlaufs, zum Skalieren des Wertebereichs und der Zeitachse des nachbearbeiteten Signalverlaufs, zum Anzeigen des momentanen Wertes der physikalischen Prüfgröße auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm, und mit einem elektronischen Prüfgrößen-Generator zum Erzeugen eines zeitlichen Verlaufs der physikalischen Prüfgröße entsprechend dem skalierten Signalverlauf.
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Die beanspruchten strukturellen Merkmale der erfindungsgemäßen Testvorrichtung führen die entsprechenden Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aus. Somit treffen die mit dem Verfahren erzielten technischen Wirkungen und die daraus resultierenden Vorteile gleichermaßen auch auf die Testvorrichtung zu.
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Die Aufgabenstellung, nämlich anspruchsvollere Zeitsignalverläufe einer Prüfgröße zu realisieren, wird dadurch gelöst, dass die erfindungsgemäße Testvorrichtung neben dem elektronischen Prüfgrößen-Generator zur Erzeugung des gewünschten Prüfgrößenverlaufs eine elektronische Bedieneinheit bestehend aus der Recheneinheit und dem berührungsempfindlichen Bildschirm (Touch-Display) umfasst.
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Die elektronische Bedieneinheit mit Touch-Display verfügt über eine Recheneinheit, die vorzugsweise als Mikrocontroller zur Ausführung eines Algorithmus ausgelegt ist, welcher die auf dem Touch-Display in dem x/y-Koordinatensystem gezeichneten Signalverläufe auswertet und gegebenenfalls korrigiert (Validitäts-/Gültigkeitsprüfung), mit Filteralgorithmen digital nachbearbeitet und skaliert. Der elektronische Prüfgrößen-Generator erzeugt aufgabengemäß auf der Basis des freihändig gezeichneten Zeit-Signalverlaufs den gewünschten Zeitverlauf der Prüfgröße.
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Das Zusammenwirken einer aus dem berührungsempfindlichen Bildschirm und der Recheneinheit bestehenden elektronischen Bedieneinheit zur Erfassung und Verarbeitung des gezeichneten Signalverlaufs mit dem elektronischen Prüfgrößen-Generator zum Erzeugen eines zeitlichen Verlaufs einer physikalischen Prüfgröße erlaubt eine bedienungsfreundliche und anwendungsspezifische Bereitstellung von Prüfgrößen-Zeitverläufen zur Funktionsprüfung von Schutz- und Überwachungseinrichtungen.
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Insbesondere ermöglicht die unmittelbare Umsetzung eines freihändig gezeichneten, beliebigen Signalverlaufs in einen Prüfgrößen-Zeitverlauf die Mess- und Auslöseprofile der zu überprüfenden Schutz- und Überwachungseinrichtung in einer bestehenden Anlage mit deren spezifischen physikalischen Eigenschaften in einem iterativen Prozess zu optimieren und unterschiedliche Testprofile schnell durchzufahren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an Hand von Beispielen erläutern. Es zeigen:
- 1: ein freihändiges Zeichnen und Abbilden eines Signalverlaufs auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm,
- 2: einen validierten und nachbearbeiteten Signalverlauf,
- 3: einen nicht validen, zu verwerfenden Signalverlauf,
- 4: einen weiteren nicht validen, zu verwerfenden Signalverlauf,
- 5: einen nicht validen, aber korrigierbaren Signalverlauf,
- 6: einen aus 5 korrigierten Signalverlauf,
- 7: ein funktionales Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung und
- 8: einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf.
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1 zeigt ein freihändiges Zeichnen eines Signalverlaufs S1 eines ohmschen Widerstands mit dem Widerstandswert auf der y-Achse über einer Zeitachse als x-Achse in einem x/y-Koordinatensystem 7 auf einem Touch-Display 6 mit einer grafischen Bedienoberfläche. Wird der gezeichnete (S1) und in dem x/y-Koordinatensystem 7 abgebildete Signalverlauf S2 durch einen Auswertealgorithmus als valide (S3) betrachtet und digital nachbearbeitet, so ergibt sich der mit vermindertem Rauschanteil versehene und von Ausreißern befreite nachbearbeitete Signalverlauf S4 wie in 2 dargestellt. Vorzugsweise wird der nachbearbeitete Signalverlauf S4 in 2 in einer anderen Farbe abgebildet. Die dargestellten Signalverläufe aus 1 (S1, S2) und 2 (S3, S4) sind in diesem Beispiel jeweils eigenständige Darstellungen und stehen in keinem kausalen Zusammenhang.
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Der Algorithmus erzeugt aus den auf dem Touch-Display 6 gezeichneten Pixelpunkten, welche dem Nutzer direkt als Rückmeldung auf dem Touch-Display 6 angezeigt werden, entweder einen validen Signalverlauf - entsprechend einer Funktion f(x) - oder fordert den Nutzer bei Fehleingaben zur erneuten Eingabe auf.
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Der Algorithmus ist dabei in der Lage, nicht valide Funktionsverläufe, beispielsweise in der Zeitachse zurückwandernde Signalverläufe zu erkennen und nach Möglichkeit zu korrigieren.
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3 und 4 zeigen nicht valide Signalverläufe S5, welche durch den Algorithmus verworfen werden, da mehrere Signalpunkte zu dem gleichen Zeitpunkt existieren bzw. der gezeichnete/abgebildete Signalverlauf S 1/S2 in der Zeit zurückzukehren vermag.
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5 zeigt ebenfalls einen nicht validen Signalverlauf S5, da in der Umgebung der Stelle t = T/4 eine zeitliche Umkehr der Funktion vorliegt. Im Gegensatz zu den nicht validen Signalverläufen S5 in 3 und 4 ist dies hier jedoch nicht absichtlich herbeigeführt, sondern ist bei dem freihändigen Zeichnen durchaus als Zeichenungenauigkeit bei senkrechten Linien zu erwarten. Hier ist der Algorithmus in der Lage, eine Korrektur des Signalverlaufs hin zu einer validen Funktion vorzunehmen, wie aus dem korrigierten Signalverlauf S6 in 6 ersichtlich ist.
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7 zeigt ein funktionales Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung 2. Die Testvorrichtung 2 umfasst dabei funktional eine elektronische Bedieneinheit 4 bestehend aus einem Touch-Display 6 und einer Recheneinheit 8 sowie einen elektronischer Prüfgrößen-Generator 10.
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Als Recheneinheit 8 ist ein Mikrocontroller vorgesehen, welcher in der Lage sein muss, auf dem Touch-Display 6 gezeichnete Pixel ohne zeitliche Verzögerung dem Nutzer als Rückmeldung abzubilden. Nur so ist der Anspruch eines flüssigen Zeichnens wie mit einem Stift auf Papier zu erfüllen.
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Strukturell ist die Testvorrichtung 2 vorzugsweise als eine abgeschlossene bauliche Einheit mit den Hauptkomponenten elektronische Bedieneinheit 4 und elektronischer Prüfgrößen-Generator 10 ausgeführt, wobei die elektronische Bedieneinheit 4 wiederum als Hauptbestandteile den berührungsempfindlichen Bildschirm 6 und die Recheneinheit 8 aufweist.
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In anderer Ausgestaltung kann dabei auch auf handelsübliche Smartphones oder Tablet-Computer als elektronische Bedieneinheit 4 mit entsprechenden Schnittstellen zu einem Hintergrundsystem mit Prüfgrößen-Generator 10 zurückgegriffen werden.
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Der Prüfgrößen-Generator 10 kann als Signalgenerator zur Erzeugung eines Strom- oder Spannungsverlaufs ausgeführt sein. Zum Erzeugen einer zeitlichen Widerstandsänderung als Prüfgröße kann eine auf Transistoren basierende (Widerstands-)Schaltung eingesetzt werden. Alternativ sind an dieser Stelle steuerbare Relais-Karten mit entsprechenden diskreten Widerständen denkbar, welche die Prüfgröße in einem Stromversorgungssystem mit der zu prüfenden Schutz- oder Überwachungseinrichtung 20 einstellen.
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Als jeweilige Schnittstelle zwischen den einzelnen, aus 7 ersichtlichen, Komponenten 6, 8, 10 ist zwischen dem Touch-Display 6 und dem Mikrocontroller 8 zunächst die Pixelinformation 20 zu nennen. Das Touch-Display 6 leitet die Pixelinformation 20 über gedrückte Displaypunkte in x/y-Koordinaten an den Mikrocontroller 8 weiter während dieser in Echtzeit die Pixel des Touch-Displays 6 in Helligkeit und Farbe einstellt. Aus der Pixelinformation 20 der Touch-Eingabe wird im Mikrocontroller 8 ein nachbearbeiteter und anschließend skalierter Signalverlauf SR(t), SI(t) der Prüfgröße (Widerstand oder Strom) berechnet und an den elektronischen Prüfgrößen-Generator 10 über eine beliebige Datenverbindung übermittelt. Hier wird die physikalische Prüfgröße R(t), I(t) dann real mit Wirkung auf die in dem Stromversorgungssystem installierte Schutz- oder Überwachungseinrichtung 20 erzeugt.
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8 beschreibt beispielhaft einen möglichen Algorithmus zur Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
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Die aufgeführten Verfahrensschritte zeigen in detaillierten Anweisungen das Abbilden des gezeichneten Signalverlaufs S1, das Validieren des abgebildeten Signalverlaufs S2, das Nachbearbeiten des validierten Signalverlaufs S3 und das abschließende Skalieren des nachbearbeiteten Signalverlaufs S4.
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Es gelten dabei die Vereinbarungen:
- T: Endzeitpunkt; N: Linienbreite in Pixel, z.B. 5 Pixel; FC: Farbcode, z.B.: 0x0FF; M: maximal zulässige Anzahl an Fehlstellen, z.B. 15.
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Die Verfahrensschritte im Einzelnen lauten:
- - Leeren bzw. weißzeichnen eines 2D-Feldes, welches die Pixelinformationen für das Touch-Display enthält
- - Erfassen der mit Finger oder Stift gedrückten Displaypunkte, speichern dieser in einem Display-Pufferfeld und unmittelbares plotten eines Streifens (Y-Spalte) an der Stelle X der Breite 1 Pixel und Höhe N Pixel mit der Farbe FC z.B. Schwarz, wobei N die Linienbreite darstellt
- - Wurden Pixel rechts außerhalb des bezeichenbaren Bereiches des Koordinatensystems gedrückt, dann starten der Verarbeitung
- - Positionszeiger auf Null setzen und inkrementelles Durchlaufen der Y-Spalten in X-Richtung des Display-Pufferfeldes
- - Liegen in einer Y-Spalte mehr Pixel der Zeichenfarbe FC vor als die 1,5-fache Linienbreite, dann inkrementiere den Fehlerzähler
- - Bilde den Mittelwert der Y-Positionen, an denen die Farbe FC steht, über die gesamte Y-Spalte an der Position X
- - Schreibe den Mittelwert in ein gesondertes 1D-Funktions-Pufferfeld an der Stelle X
- - Wiederhole diese Routine bis alle Spalten durchlaufen sind; sofern der Fehlerzähler vorher die gesetzte Grenze M erreicht, breche die Routine ab und melde den Verfahrensfehler. Eine nicht valide Funktion liegt vor
- - Anschließend bilde den gleitenden Mittelwert über z.B. 5 Werte aus dem Funktions-Pufferfeld. Dies dient dem Auslöschen von Fehlstellen, wo z.B. mangels Anpressdruck auf das Display nicht gezeichnet wurde, und rundet Sprungkanten der Funktion ab
- - Fehlen mehr als 5 Werte wird so lange der letzte valide Wert fortgesetzt, bis ein neuer Wert kommt. Alternativ können Fehlstellen mit Funktionslücken durch lineare Interpolation zwischen letztem und nächstem Wert gefüllt werden
- - Abschließend wird die auf Pixelpositionen basierende Funktion mit diskreten Zeitpunkten auf den gesetzten Zeitrahmen in X-Richtung und die Einheit, z.B. Ohm oder Ampere, der Prüfgröße in Y-Richtung skaliert und kann auf dem elektronischen Prüfgrößen-Generator „abgespielt“ werden
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Zusammenfassend wird aus einem freihändig gezeichneten „Bild“ mit Signalformcharakter eine zeit- und wertediskrete Funktion generiert, deren mathematische Klassifikation nicht näher identifiziert wird.
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Die Validitätsprüfung basiert letztlich auf der Beurteilung, ob an einer Stelle X so viele Pixel in der Spalte stehen, dass mehr als eine Linie vorhanden sein müssen. Da dies durch ungeschicktes Zeichnen vorkommen kann, ist eine gewisse Anzahl an Fehlstellen erlaubt und durch die Mittelwertbildung für jede Spalte unkritisch. Durch die Mittelwertbildung an jeder Spalte wird immerzu eine valide Funktion erzeugt. Die Überprüfung der Validität der frei gezeichneten Funktion erfolgt trotzdem, da nicht valide gezeichnete Funktionen in Verbindung mit der Mittelwertbildung zu für den Nutzer unerwarteten Signalverläufen führen würden.
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Der in der Recheneinheit 8 berechnete und mit digitalen Signalverarbeitungsalgorithmen um Ausreißer, Sprünge und Lücken bereinigte, nachbearbeitete Signalverlauf S4 wird abschließend in einer anderen Farbe als die Zeichenfarbe, z.B. in rot, auf dem Touch-Display 6 geplottet und ersetzt dann die Freihand-Zeichnung (gezeichneter Signalverlaufs S1). Dieser andersfarbige Verlauf steht einer erneuten Eingabe und Auswertung nicht im Wege und kann einfach überzeichnet werden.
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Wird der skalierte Signalverlauf SR(t), SI(t) „abgespielt“, so wandert ein Punkt mit dem momentanen Wert der physikalischen Prüfgröße R(t), I(t) auf dem skalierten Signalverlauf SR(t), SI(t) synchron zur eingestellten physikalisch Prüfgröße R(t), I(t) mit, wobei der bereits durchlaufene Teil des Signalverlaufs eine andere Farbe (ungleich der Zeichenfarbe) erhält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN VDE 0100/IEC 60364 [0002]
- DIN VDE 0100-410/IEC 60364-4-41 [0002]
- DIN VDE 0100-600/IEC 60364-6 [0002]
- DIN VDE 0105-100 [0002]
