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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt zur Korrektur von durch eine Sensoreinheit erfassten Werten einer physikalischen Größe.
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Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die eingestellten Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte sind entsprechende Auslösegründe. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.
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Insbesondere für Niederspannungsstromkreise, -anlagen bzw. -netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Niederspannungsleistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme, insbesondere Nennströme bzw. maximal Ströme, von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 200 oder 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.
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Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
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Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 oder 1200 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint, wobei hierbei insbesondere die Effektivwerte der Spannung gemeint sind. Mit Niederspannung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechselspannung oder 120 Volt Gleichspannung sind.
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Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer als Steuerungseinheit dienenden elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint.
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In Niederspannungsleistungsschaltern erfolgt üblicherweise die Ermittlung der Höhe der Spannung mittels Spannungssensoren. Für die Ermittlung der Höhe der Ströme werden üblicherweise so genannte Rogowskispulen (Rogowskiwandler) eingesetzt, welche die Vorteile einer Potentialtrennung, einer hohen Stromfestigkeit und einer geringen Baugröße aufweisen. Rogowskispulen geben eine zum differenzierten Strom proportionale Spannung ab. Durch Integration dieser Spannung kann die Höhe des Stromes ermittelt werden. Auf Grund des sehr großen Dynamikbereichs bei Leistungsschaltern wird häufig eine Kombination aus einem Rogowski-Wandler und einem analogen Integrator zur Strommessung verwendet Aus der
DE 102015216981 A1 ist auch eine Lösung mit digitalem Integrator bekannt. Rogowski-Wandler kommen auch in der Form von sog. Kombi-Wandlern zum Einsatz, bei denen in dem Wandlergehäuse ein zweiter Wandler, ein sog. Energiewandler (Eisenwandler) zur Energieversorgung der ETU eines Leistungsschalters untergebracht ist.
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Die Anordnung aus Rogowski-Wandler und analogem Integrator hat naturgemäß eine nichtlineare Übertragungsfunktion (Amplitudengang) bezogen auf das damit gemessene Signal (z.B. Strom). Aus der nichtlinearen Übertragungsfunktion resultiert ein amplitudenabhängiger Fehler des gemessenen Signals.
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Moderne Leistungsschalter übernehmen zunehmend auch die Aufgaben von sog. PMD Geräten (PMD: power measurement device), die zur Erfassung von Energiedaten eingesetzt werden. Dabei spielt vor allem die Genauigkeit der Messwerte (z.B. Strom, Spannung, Energie, Leistung und Phasenwinkel) entsprechend der zugehörigen PMD-Norm eine entscheidende Rolle.
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Es ist daher erstrebenswert, im Leistungsschalter eine Messgrößenerfassung mit hoher, insb. PMD-Normen genügender Genauigkeit vorzunehmen.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, dazu beizutragen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 9 und ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 11 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Korrektur von durch eine Sensoreinheit erfassten Werten einer physikalischen Größe (z.B. Strom oder Spannung). Dabei wird von einem funktionellen Zusammenhang zwischen Werten der physikalischen Größe und Korrekturwerten ausgegangen.
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Unter „funktionellem Zusammenhang“ wird eine Zuordnung verstanden, die Werten der physikalischen Größe Korrekturwerte zuordnet. Dieser funktionelle Zusammenhang kann z.B. mit Hilfe eines Mehrpunkt-Abgleichs bestimmt sein. Dabei kann für mehrere bekannte Werte (evtl. Mittelwerte) der physikalischen Größe die Abweichung zu von durch die Sensoreinheit erfassten Werten bestimmt und zwischen den mehreren Werten eine Interpolation durchgeführt werden. Der funktionelle Zusammenhang kann dabei vollständig bestimmt vorliegen (z.B. in Tabellenform) oder auch zumindest teilweise als Zuordnungsvorschrift gegeben sein, auf deren Basis bedarfsweise für einen Wert der physikalischen Größe der entsprechende Korrekturwert berechnet wird (z.B. durch Interpolation).
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Erfindungsgemäß wird mindesten ein durch die Sensoreinheit erfasster Wert der physikalischen Größe durch Verknüpfung mit einem mittels des funktionellen Zusammenhangs ermittelten Korrekturwert korrigiert. Dabei ist vorzugsweise eine erste Anzahl von durch die Sensoreinheit erfassten Werten der physikalischen Größe festgelegt, die mittels eines Korrekturwerts korrigiert werden. Diese Anzahl entspricht z.B. einer Anzahl von Werten, über die eine Mittelung (z.B. quadratisches Mittel) durchgeführt wird, um einen Wert für die Anzeige durch ein Display (Anzeigewert) zu erhalten.
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Weiter wird auf Basis des mindestens einem durch die Sensoreinheit erfassten Werts der physikalischen Größe mittels des funktionellen Zusammenhangs ein neuer Korrekturwert ermittelt. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung auf Basis von einer zweiten Anzahl von Werten der physikalischen Größe. Noch bevorzugter entspricht die zweite Anzahl der ersten Anzahl und bei den Werten der physikalischen Größe handelt es sich um solche, die unmittelbar vor der Berechnung des neuen Korrekturwertes mit dem davor verwendeten Korrekturwert korrigiert wurden. Es kann vorgesehen sein, dass eine Mittelung der zweiten Anzahl von durch die Sensoreinheit erfassten Werten der physikalischen Größe vorgenommen wird und auf Basis des durch die Mittelung erhaltene Mittelwert mittels des funktionellen Zusammenhangs der neuer Korrekturwert ermittelt wird.
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Nach Ermittlung des neuen Korrekturwerts wird dieser für die Korrektur mindestes eines durch eine Sensoreinheit erfassten Werts der physikalischen Größe durch Verknüpfung (z.B. Multiplikation) verwendet. Vorzugsweise erfolgt die Korrektur einer Anzahl von Werten der physikalischen Größe, die der oben angesprochenen ersten Anzahl entspricht.
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Vorzugsweise werden laufend neue Korrekturwerte ermittelt, die die bis dahin gültigen Korrekturwerte ersetzten, solange es sich um einen kontinuierlichen Betrieb handelt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass permanent eine möglichst gute Korrektur der erfassten Werte der physikalischen Größe erfolgt. Die Erfindung kann z.B. für Vorrichtung zum Einsatz kommen, einen Leistungsschalter mit der Sensoreinheit und einer Steuerungseinheit (insb. ETU) zur Durchführung von Verfahrensschritten umfasst. Ein kontinuierlicher Betrieb im obigen Sinne wäre dann z.B. durch das Einschalten und Ausschalten des Leistungsschalters definiert.
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Ein erfinderischer Gedanke ist, dass von der Sensoreinheit erfasste und mittels Korrekturfaktor korrigierte Werte selber wieder zur Ermittlung eines neuen Korrekturfaktors verwendet werden. Ein weiterer erfinderischer Gedanke ist die laufende Anpassung von Korrekturfaktoren. Dabei muss im Prinzip nur immer ein aktueller Korrekturfaktor vorhanden bzw. abgespeichert sein. D.h. das erfinderische Verfahren kann sehr ressourcensparend implementiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in Form eines Computerprogrammprodukts z.B. für Leistungsschalter zur Verfügung gestellt werden. Das Computerprogrammprodukt besteht dann z.B. aus Software, die z.B. über eine drahtlose Schnittstelle oder eine Kabelschnittstelle an den Leistungsschalter z.B. im Zuge eines Updates übertragen und dort implementiert wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1: Elemente eines Leistungsschalters,
- 2: Fehlerbandbreite bei der Strommessung mit einer herkömmlichen Korrektur,
- 3: Fehlerbandbreite bei der Strommessung mit einer erfindungsgemäßen Korrektur,
- 4: Prinzipielles Vorgehen bei einer erfindungsgemäßen Korrektur von Messwerten und
- 5: Ablaufschaubild für ein erfindungsgemäßes Vorgehen zur Korrektur von Messwerten.
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1 zeigt einen Teil eines Leistungsschalters LS, wobei verschiedene Einheiten des Schalters schematisch dargestellt sind. Der Leistungsschalter ist vorgesehen zur Unterbrechung von elektrischen Leitern L1, L2, L3 eines elektrischen Stromkreises, beispielsweise einen Dreiphasen-Wechselstromkreises, wobei der erste Leiter L1 die erste Phase, der zweite Leiter L2 die zweite Phase und der dritte Leiter L3 die dritte Phase des Dreiphasen-Wechselstromkreises bildet. Es können ferner noch ein Neutralleiter und ein Schutzleiter vorgesehen sein.
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Im Beispiel gemäß 1 ist der dritte Leiter L3 mit dem Energiewandler EW derart verbunden, dass mindestens ein Teil des Stromes, d.h. ein Leiterteilstrom, bzw. der gesamte Strom des dritten Leiters durch die Primärseite eines Energiewandlers EW fließt. Der Energiewandler EW ist üblicherweise ein Transformator mit Kern. Es kann auch in jeder Phase bzw. in jedem Leiter des elektrischen Stromkreises ein Energiewandler EW vorgesehen sein. Die Sekundärseite des Energiewandlers EW ist mit einem Netzteil NT verbunden, welches eine Energieversorgung, beispielsweise in Form einer Versorgungsspannung, für eine Steuerungseinheit ETU (z.B. Electronic Trip Unit) zur Verfügung stellt. Es ist eine Sensoreinheit SE vorgesehen, welche zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes mit mindestens einem Sensorelement gebildet ist, vorzugsweise eine Rogowskispule. In einer üblichen Ausbauvariante wird die Höhe des elektrischen Stromes jedes Phasenleiters bzw. Leiters des elektrischen Stromkreises ermittelt.
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Die Sensoreinheit SE ist mit der Steuerungseinheit ETU verbunden und übermittelt dieser die Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines oder mehrerer Leiter des elektrischen Stromkreises.
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Die übermittelten Stromwerte werden in der Steuerungseinheit ETU mit Stromgrenzwerten oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten, die Auslösegründe bilden, verglichen. Bei Überschreitung dieser wird eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises veranlasst. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Unterbrechungseinheit UE vorgesehen ist, die einerseits mit der Steuerungseinheit ETU verbunden ist und andererseits Kontakte zur Unterbrechung der Leiter L1, L2, L3 bzw. weiterer Leiter des elektrischen Stromkreises aufweist. Die Unterbrechungseinheit UE erhält in diesem Fall ein Unterbrechungssignal zur Öffnung der Kontakte.
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Die Steuerungseinheit ETU ist mit einer Anzeige AZ versehen, auf der Werte von für systemrelevante Größen angezeigt werden können, z.B. Strom, Spannung, Energie, Leistung, Phasenwinkel etc. Dabei werden diese zum Teil gemessen, zum Teil aus Messwerten berechnet. Eingezeichnet ist auch eine Kommunikationsschnittstelle KS (z.B. Zigbee, Wi-Fi oder BLE Funkschnittstelle oder Kabelschnittstelle, z.B. für LAN-Kabel), über die die erfassten systemrelevanten Werte z.B. an eine Überwachungsstelle zur Anzeige bzw. Analyse übertragen werden können. Dabei sind auch Konstellationen denkbar, bei denen keine Anzeige bei der Steuerungseinheit ETU, sondern nur eine Anzeige durch eine externe Einheit, an die Informationen übertragen werden, vorgesehen ist. Die Berechnung systemrelevanter Werte aus Messwerten kann sowohl im Leistungsschalter LS oder durch eine externe Einheit erfolgen, an die Messwerte übertragen wurden. Es ist also auch möglich, dass der Leistungsschalter entweder über keine Anzeige AZ oder über keine Kommunikationsschnittstelle KS verfügt. Im ersten Fall würde dann nur eine Anzeige am Leistungsschalter LS erfolgen, im zweiten Fall wäre dann nur eine Anzeige durch eine externe Einheit vorgesehen, die mit Daten von dem Leistungsschalter gespeist wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von der Erfassung von Stromwerten näher erklärt. Die Sensoreinheit SE umfasst dann einen Stromsensor oder ist als Stromsensor ausgebildet. Konkret kann der Stromsensor mit einer Rogowskispule und einem analogen Integrator gebildet sein. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen speziellen Messwert (Strom) bzw. auf diese spezielle Sensorausgestaltung (Rogowskispule mit Integrator) eingeschränkt, sondern kann für Korrektur beliebiger, mit geeigneten Sensoren erfasste Messwerte zur Anwendung kommen.
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Es wird im Folgenden von einer Netzfrequenz von 50 Hz ausgegangen und zwischen Abtastfrequenz und Anzeigefrequenz bzw. zwischen Abtastwerten und Anzeigewerten unterschieden. Z.B. erfolgt eine Strommessung mit jeder Halbwelle, d.h. alle 10 ms (Abtastwerte). Das Anzeigen von Werten nimmt Rücksicht auf die physiologischen Eigenschaften des menschlichen Auges. Z.B. erfolgt alle 200 ms die Anzeige eines Wertes (Anzeigewert). Der Anzeigewert wird z.B. durch das quadratische Mittel der Abtastwerte in einem 200 ms Intervall gebildet. Diese Werte werden häufig auch als RMS (root mean square) Werte bezeichnet.
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In 2 ist ein Beispiel für Messreihen für eine herkömmliche Korrektur mit Hilfe von einem Abgleichpunkt gezeigt. Es wurden Messreihen den Strom von drei Phasen L1, L2 und L3 erfasst und für die drei Phasen jeweils die minimalen und maximalen Werte (I_L1_min, I_L1_max, I_L2_min, I_L2_max, I_L3_min und I_L3_max) der Messreihen als Kurven aufgetragen. Dabei zeigt die Abszisse RMS Werte des Stroms und die Ordinate die Abweichung der Kurven voneinander in Prozent.
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Für eine verbesserte Korrektur kann durch einen Mehrpunkt-Abgleich erfolgen. Dabei wird für mehrere Punkte (Stromwerte) der Korrekturfaktor bestimmt, d.h. für ein bekanntes Signal das gemessene Signal zur Kompensation der Abweichung zu dem eingespeisten bekannten Signal entsprechend korrigiert. Die Korrekturwerte sind dann für die mehreren im Zuge des Mehrpunkt-Abgleichs verwendeten Stromwerte bestimmt. Korrekturwerte für beliebige Stromwerte kann dann durch Interpolation der Korrekturfaktoren erfolgen. Mathematisch formuliert hat man Korrekturfaktoren k (ij), j= 1 ... nP, wobei der Index j die Stromwerte ij durchnummeriert, für die im Zuge des Mehrpunkt-Abgleichs der Korrekturfaktor k(ij) für ein bekanntes Signal ij durch Vergleich mit dem Messignal bestimmt wird, und nP der Anzahl der Punkte entspricht, die für den Mehrpunkt-Abgleich herangezogen werden. Der Korrekturfaktor für beliebige Messwerte kann dann durch Interpolation der Korrekturfaktoren k(ij) erfolgen. Es gelte z.B. ij < i < ij+1. Mit einer linearen Interpolation berechnet sich der Korrekturfaktor zu k(i) = k(ij) + (k(ij+1) - k(ij)) / (ij+1 - ij) * (i - ij). Dabei können auch andere Interpolationsverfahren als ein lineares Interpolationsverfahren (z.B. Interpolation mit kubischen Splines) verwendet werden.
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In 3 zeigt den Effekt der verbesserten Korrektur der Messignale. Die Messreihen entsprechend denen von 2, wobei nun eine Korrektur mittels eines Mehrpunkt-Abgleichs durchgeführt wurde. Die Genauigkeit der Messwerte (Abweichungen bei den Messreihen) ist etwa fünffach höher. In 2 ist zu sehen, dass die Ungenauigkeit bei kleinen Stromwerten erhöht ist, was einer höheren Nicht-Linearität der Übertragungsfunktion entspricht. Abgleichpunkte für die Mehrpunktkompensation werden daher besonders im Bereich der größten Nicht-Linearität der Übertragungsfunktion des Messkanals gesetzt. Dadurch wird mit Hilfe des Kompensationsalgorithmus eine höhere Messgenauigkeit der Messwerte (sowie der abhängigen Messgrößen) erreicht.
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4 zeigt das prinzipielle Vorgehen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Korrektur von Messwerten und Anpassung der Messwertkorrektur. Durch die Sensoreinheit SE werden Messwerte bzw. Samples erfasst und an die Steuerungseinheit ETU übertragen. Die Verarbeitung der Samples durch die Steuerungseinheit besteht zunächst in der Korrektur der Messwerte mit dem aktuellen Korrekturfaktor. Es werden korrigierte Messwerte bzw. kompensierte Samples erhalten, die für die Berechnung weiterer Messwerte (Phasenverschiebung, Leistung etc.) und von Anzeigewerten (Mittelung von Messwerten) verwendet werden. Korrigierte Messwerte werden zur Aktualisierung des Korrekturfaktors zurückgekoppelt. Aus diesen wird mit Hilfe des Interpolationsalgorithmus (interpolierter Mehrpunkt-Abgleich) ein aktualisierter Korrekturfaktor (in der Figur als „dynamischer Korrekturfaktor“ bezeichnet) erhalten, der den bisher verwendeten Korrekturfaktor für die Korrektur von Messwerten ersetzt. D.h. der Korrekturfaktur ist insofern „dynamisch“, als dass er laufend angepasst wird.
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In 5 ist ein Beispiel für ein konkretes Vorgehen entsprechend 4 gezeigt. In einem ersten Initialisierungsschritt SI1 findet der Mehrpunkt-Abgleich statt, wodurch eine Korrekturfunktion k(i) festgelegt ist. Dabei kann die Interpolation der Abgleichpunkte schon an dieser Stelle erfolgen und die Funktionswerte z.B. in der Form einer Tabelle gespeichert werden. Alternativ findet eine Interpolation (z.B. entsprechend der obigen Formel für k(i)) erst bei der Neuberechnung des Korrekturfaktors (Schritt S5) statt. In einem zweiten Initialisierungsschritt SI2 wird der Korrekturfaktor auf einen Startwert gesetzt: K=k(istart). Dieser Startwert entspricht typischerweise der Korrektur bei einem (nach Einschalten erst einmal) kleinen Strom und kann werkseitig empirisch festgelegt sein. Die nun folgenden Schritte werden nun während des Betriebs (bzw. zumindest während der Aufnahme von Messwerten) als Schleife permanent durchlaufen. Der von der Sensoreinheit SE erfasste und an Steuerungseinheit ETU gelieferte Strommesswert iSE(n) wird mit dem Korrekturfaktor K multipliziert, um einen korrigierten Wert i(n) zu erhalten, d.h. i(n)=K×iSE(n). Im Schritt S2 wird überprüft, ob n einem Wert NRMS entspricht, der der Anzahl von Samples entspricht, die zu einem Anzeigewert gemittelt werden. Falls n < NRMS ist, wird n inkrementiert (Schritt S3) und der nächste Messwert mit demselben Korrekturfaktor K korrigiert. Falls n gleich NRMS ist, wird der Mittelwert IRMS aus den letzten NRMS Samples berechnet (Schritt S4: IRMS = RMS (i1... iRMS) , wobei die Abkürzung RMS die Mittelwertbildung bezeichnet). Im nächsten Schritt S5 wird für den Mittelwert IRMS mittels der durch den Mehrpunkt-Abgleich gewonnenen Funktion k(i) ein aktualisierter Korrekturfaktor berechnet: K=k(IRMS) . Der Mittelwert IRMS kann übrigens zusätzlich als Anzeigewert z.B. durch die Anzeige AZ angezeigt werden. In einem nächsten Schritt S6 wird der Index n wieder auf 1 zurückgesetzt. Die in der Folge erfassten Messwerte werden dann mit dem aktualisierten Korrekturfaktor K korrigiert.
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Die Erfindung wurde oben nur anhand eines Beispiels erläutert. Andere Ausgestaltungen bzw. Implementierungen erschließen sich dem Fachmann auf naheliegende Weise und sind somit dem erfindungsgemäßen Vorgehen zu subsumieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015216981 A1 [0007]
