DE10303110B4

DE10303110B4 - Verfahren zur Steuerung des Ausgangssignals eines Mess/Überwachungsgerätes und entsprechende Vorrichtung

Info

Publication number: DE10303110B4
Application number: DE2003103110
Authority: DE
Inventors: Hartmut Breithaupt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: DE10303110A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Signalausgabe eines Mess-/Überwachungsgerätes (3),
das elektrische Rohsignale (10) erzeugt,
zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums,
wobei die Rohsignale (10) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gemittelt werden,
die innerhalb eines ersten Zeitbereichs (t1) liegen,
wodurch sich Zwischensignale (11) ergeben,
wobei die Zwischensignale (11) mit einem Grenzwert (GW) für die Signalhöhe verglichen werden,
und
wobei ein Zwischensignal (11) zum Ausgang (5) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gegeben wird,
wenn das Zwischensignal (11) über dem Grenzwert (GW) liegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweiter Filter (2) die Zwischensignale (11) mittelt,
die innerhalb eines zweiten Zeitbereichs (t2), der größer als der erste Zeitbereich (t1) ist, liegen,
wodurch sich Ausgangssignale (12) ergeben,
und
dass die Ausgangssignale (12) an den Ausgang (5) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gegeben werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung des Ausgangssignals eines Mess-/Überwachungsgerätes, das elektrische Rohsignale erzeugt, zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bei den physikalischen oder chemischen Größen handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, die Leitfähigkeit oder den pH-Wert des Mediums.
Mess-/Überwachungsgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung von physikalischen oder chemischen Größen, die von der Anmelderin hergestellt und vertrieben werden, sind meist derart gestaltet, dass eine Dämpfung der Ausgangssignale vorgesehen ist. Dadurch werden Schwankungen in den Signalen unterdrückt und das Rauschen wird vermindert. Meist werden die Signale dadurch gedämpft, dass die Rohsignale über einen einzustellenden Zeitbereich gemittelt werden. Dadurch gelangen jedoch Signale erst nach einer gewissen Zeitverzögerung zum Ausgang, da die Rohsignale für den Zeitbereich erst gemessen, bzw. an die Filtereinheit gegeben werden müssen, um sie mitteln zu können. Dies führt dazu, dass besondere, aber seltener auftretende Signale, die es erforderlich machen, dass z.B. eine Prozessanlage schnell geregelt wird, zu spät z.B. zu einer Regeleinheit gelangen. Besondere Signale treten z.B. auf beim Anfahren einer Prozess-Anlage oder beim „stand by"-Betrieb oder bei einem unregelmäßigen Lauf der Anlage. Diese Verzögerung zwischen der Ursache des Signals und der Möglichkeit der Nachregelung kann dazu führen, dass die Anlage ins Schwingen gerät, also instabil wird. Eine große Zeitverzögerung durch die Dämpfung führt also dazu, dass die Anlagenstabilität gefährdet ist. Werden jedoch die Signale über einen zu kleinen Zeitraum – was zu einer kürzeren Zeitverzögerung führt – gemittelt, so kann es sein, dass die Regelung übereilt reagiert, da das Rauschen noch zu stark ist.

Der Offenlegungsschrift DE 42 15 459 A1 lässt sich ein Apparat zur Verarbeitung von Sensorsignalen entnehmen. Dabei wird für eine sensorgeführte Steuerung von einem Sensorsignal über einen wählbaren Zeitraum ein Mittelwert gebildet. Überschreitet ein Sensorsignal einen Schwellwert oder über einen festzulegenden Betrag hinaus den Mittelwert, so wird ein Schaltsignal erzeugt.

Ein ähnliches Verfahren zur Auswertung des Ausgangssignals eines Sensors wird in der Offenlegungsschrift DE 38 41 089 A1 beschrieben. Ziel ist, dass ein Sensorabgleich nicht mehr erforderlich ist. Hierfür wird ein Mittelwert aus Messwerten gewonnen, und die Differenz zwischen dem Mittelwert und einem Messwert aus einer Messung, welche zeitlich den Messungen für die Mittelwertbildung folgt, wird mit einem Schwellwert verglichen. Alternativ wird die Differenz zwischen unterschiedlichen Mittelwerten mit dem Schwellwert verglichen.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine schnelle Ausgabe der Signale zu ermöglichen. Dafür werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird dadurch gelöst, dass die Rohsignale des Mess-/Überwachungsgerätes gemittelt werden, die innerhalb eines ersten Zeitbereichs (t1) liegen, wodurch sich Zwischensignale ergeben, dass die Zwischensignale mit einem Grenzwert (GW) für die Signalhöhe verglichen werden, dass ein Zwischensignal zum Ausgang des Mess-/Überwachungsgerätes gegeben wird, wenn das Zwischensignal über dem Grenzwert (GW) liegt, dass der zweite Filter die Zwischensignale mittelt, die innerhalb eines zweiten Zeitbereichs (t2) liegen, wodurch sich Ausgangssignale ergeben, und dass die Ausgangssignale an den Ausgang des Mess-/Überwachungsgerätes gegeben werden. Die Idee ist also, dass die Rohsignale in jedem Fall einem ersten Filter unterzogen werden, der über einen zeitlichen Bereich (t1) eine Mittelwertbildung vornimmt. Dann wird in der Steuereinheit – z.B. ein Mikroprozessor – nachgesehen, ob die Zwischensignale, die dem ersten Filter entstammen, einen Grenzwert (GW) überschreiten. Dieser Grenzwert (GW) kann z.B. die maximale Rauschamplitude sein. Die Bestimmung des Grenzwerts (GW) könnte z.B. dadurch geschehen, dass nur Rauschen gemessen wird und dass der Grenzwert (GW) von Null langsam angehoben wird, bis keine Zwischensignale mehr zum Ausgang gelangen. Ist ein Zwischensignal betragsmäßig größer als der Grenzwert (GW), so wird dieses Zwischensignal direkt an den Ausgang des Mess-/Überwachungsgeräts gegeben. Je kleiner der Zeitbereich (t1) ist, desto schneller funktioniert die Signalausgabe, gleichzeitig sind die Zwischensignale jedoch verrauschter. Der zweite Filter mittelt dann die Zwischensignale, die in einen zweiten Zeitbereich (t2) fallen. Die Ausgangssignale des zweiten Filters sind deutlich glatter, weil die Mittelwertbildung über einen größeren Zeitbereich (t2) stattfindet. Diese Ausgangssignale werden dann ebenfalls an den Ausgang des Mess-/Überwachungsgeräts gegeben. Somit sind das Rauschen und die Spitzen in den Signalen vermindert. Für die Unterscheidung zwischen den normalen und den besonderen Signalen ließe sich z.B. eine Frequenzanalyse durchführen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Zwischensignale mit einer gleitenden Mittelwertbildung gemittelt werden, wobei sich die Zeitbereiche (t2) teilweise überlagern. Es wird also das Zeitfenster, über welches gemittelt wird, jeweils so verschoben, dass die Zeitfenster einander überlappen, dass also einzelne Zwischensignale bei aufeinanderfolgenden Mittelwertbildungen wiederholt beteiligt sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Zwischensignale mit einer gleitenden Mittelwertbildung gemittelt werden, wobei sich die Zeitbereiche (t2) nicht überlagern. In dieser Ausgestaltung gibt es also zwischen den einzelnen Zeitfenstern, über die der zweite Filter mittelt, keinen Überlapp. Dies hat den Vorteil, dass sie Ausgangssignale weniger verfälscht werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens ein erster Filter vorgesehen ist, der derartig beschaffen ist, dass er die Rohsignale des Mess-/Überwachungsgerätes mittelt, die innerhalb eines ersten Zeitbereichs (t1) liegen, wodurch sich Zwischensignale ergeben, dass mindestens ein Grenzwert (GW) für die Signalhöhe vorgegeben ist, dass mindestens eine Steuereinheit vorgesehen ist, die derartig beschaffen ist, dass sie die Zwischensignale mit dem Grenzwert (GW) vergleicht, und dass sie ein Zwischensignal zum Ausgang des Mess-/Überwachungsgerätes gibt, wenn das Zwischensignal über dem Grenzwert (GW) liegt, dass mindestens ein zweiter Filter vorgesehen ist, der derartig beschaffen ist, dass er die Zwischensignale mittelt, die innerhalb eines zweiten Zeitbereichs (t2) liegen, wodurch sich Ausgangssignale ergeben, und dass der zweite Filter derartig beschaffen ist, dass er die Ausgangssignale an den Ausgang des Mess-/Überwachungsgerätes gibt. Alle Rohsignale gelangen zum ersten Filter und werden dort gemittelt. Die sich ergebenden Zwischensignale werden von einer Steuereinheit mit einem Grenzwert (GW) verglichen. Liegt ein Zwischensignal über diesem Grenzwert (GW), so wird es zum Ausgang des Mess-/Überwachungsgeräts gegeben. Alle Zwischensignale werden vom zweiten Filter über einen größeren Zeitbereich (t2) gemittelt. Somit weisen diese Ausgangssignale deutlich weniger Rauschen auf als die Zwischensignale. Andererseits gelangen die Ausgangssignale aber auch mit einer größeren Zeitverzögerung an den Ausgang des Mess-/Überwachungsgeräts.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Eingabeeinheit (6) vorgesehen ist, über die der Grenzwert (GW), der erste Zeitbereich (t1) und/oder der zweite Zeitbereich (t2) eingeben werden. Somit lassen sich diese Werte an die Erfordernisse und Gegebenheiten z.B. der Prozessanlage anpassen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Zeitbereich (t2) ein ganzzahliges Vielfaches des ersten Zeitbereichs (t1) ist. Das bedeutet, dass gilt: t2 = n·t1 mit n = 2, 3, 4,... Mit dieser Ausgestaltung lässt sich die nächste Realisierung sehr einfach ausführen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass der Beginn des zweiten Zeitbereichs (t2) identisch ist mit dem Beginn des ersten Zwischensignals, das in den zweiten Zeitbereich (t2) fällt. Dies impliziert auch, dass das Ende des zweiten Zeitbereichs (t2) identisch ist mit dem Ende des letzten Zwischensignals, das in diesen zweiten Zeitbereich (t2) fällt. Durch diese obige Ausgestaltung der Zeitdauern (t1, t2) und durch den gemeinsamen Zeitpunkt des Beginns der beiden Zeitbereiche (t1, t2) wird sichergestellt, dass der zweite Filter stets vollständige Zwischensignale für die Mittelwertbildung verwendet. Durch die geeignete Wahl der Zeitbereiche (t1, t2) und des Beginns der Zeitbereiche ist sichergestellt, dass kein Anteil an den Rohsignalen verloren geht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Zeitbereich (t1) des ersten Filters zwischen 2 ms und 5 s liegt. Dies ist zum einen die unterste Grenze, die mit der Elektronik derzeit erreichbar ist, zum anderen sollte die obere Grenze unter dem Zeitwert der Verzögerung des Standes des Technik liegen, da sich sonst durch die Erfindung kein Vorteil ergeben würde.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: ein Blockschaltbild der Vorrichtung;
2: ein Flussdiagramm des Verfahrens; und
3: zwei beispielhafte Signalverläufe.
In 1 stammt das Rohsignal 10 von der eigentlichen Messung. Es wird im ersten Filter 1 abschnittsweise gemittelt. Die Zwischensignale 11 werden von der Steuereinheit 4 mit dem Grenzwert GW verglichen. Findet sich im Zwischensignal 11 eine Amplitude, die größer als der Grenzwert GW ist, d.h. ragt ein Zacken im Zwischensignal 11 über die Bandbreite, die durch den Grenzwert GW gegeben ist, nach oben oder unten heraus, so wird das Zwischensignal 11 an den Ausgang 5 des Mess-/Überwachungsgeräts 3 gegeben. Die Zwischensignale 11 gelangen auch alle an den zweiten Filter 2. Bei einer anderen Ausgestaltung könnte auch der Ausgang des ersten Filters 1 direkt mit dem Eingang des zweiten Filters 2 verbunden sein. Im zweiten Filter 2 werden alle Zwischensignale 12, die innerhalb eines zweiten Zeitbereichs t2 liegen, gemittelt. Somit ergeben sich Ausgangssignale 12, die einen deutlich glatteren Verlauf zeigen als die Rohsignale 10 und auch als die Zwischensignale 11, weil über einen größeren Zeitbereich t2 gemittelt wird. Diese Ausgangssignale 12, die wegen der Mittelung über einen größeren Zeitbereich t2 eine größere Zeitverzögerung haben als die Zwischensignale 11, werden auch zum Ausgang 5 gegeben.
In 2 werden die Rohsignale 10 das erste Mal gemittelt. Anschließend werden die Zwischensignale 11 mit einem Grenzwert GW für die Signalhöhe verglichen. Ist ein Zwischensignal 11 oberhalb des Grenzwertes GW, so wird es direkt an den Ausgang 5 des Mess-/Überwachungsgeräts 3 gegeben. Alle Zwischensignale 11 werden durch den zweiten Filter 2 über einen größeren Bereich t2 gemittelt. Die Ausgangssignale 12, die durch die wiederholte Mittelwertbildung einen sehr glatten Verlauf bilden, werden an den Ausgang 5 gegeben.
3 zeigt den Verlauf eines Rohsignals 10 und den Verlauf der Zwischensignale 11, die sich nach dem ersten Filter 1 ergeben. Der Grenzwert GW entspricht hier dem Rauschband. Nach der Mittelwertbildung verbleiben in den Zwischensignalen 11 nur die beiden großen Signale. Diese sind jeweils größer als der Grenzwert GW und somit würden die Zwischensignale 11 jeweils direkt zum Ausgang gelangen. Der zweite Filter 2 würde die Zwischensignale 11 noch stärker glätten.

1: Erster Filter
2: Zweiter Filter
3: Mess-/Überwachungsgerät
4: Steuereinheit
5: Ausgang
6: Eingabeeinheit
10: Rohsignal
11: Zwischensignal
12: Ausgangssignal

Claims

Verfahren zur Steuerung der Signalausgabe eines Mess-/Überwachungsgerätes (3), das elektrische Rohsignale (10) erzeugt, zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Mediums, wobei die Rohsignale (10) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gemittelt werden, die innerhalb eines ersten Zeitbereichs (t1) liegen, wodurch sich Zwischensignale (11) ergeben, wobei die Zwischensignale (11) mit einem Grenzwert (GW) für die Signalhöhe verglichen werden, und wobei ein Zwischensignal (11) zum Ausgang (5) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gegeben wird, wenn das Zwischensignal (11) über dem Grenzwert (GW) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Filter (2) die Zwischensignale (11) mittelt, die innerhalb eines zweiten Zeitbereichs (t2), der größer als der erste Zeitbereich (t1) ist, liegen, wodurch sich Ausgangssignale (12) ergeben, und dass die Ausgangssignale (12) an den Ausgang (5) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischensignale (11) mit einer gleitenden Mittelwertbildung gemittelt werden, wobei sich die Zeitbereiche (t2) teilweise überlagern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischensignale (11) mit einer gleitenden Mittelwertbildung gemittelt werden, wobei sich die Zeitbereiche (t2) nicht überlagern.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens ein erster Filter (1) vorgesehen ist, der derartig beschaffen ist, dass er die Rohsignale (10) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) mittelt, die innerhalb eines ersten Zeitbereichs (t1) liegen, wodurch sich Zwischensignale (11) ergeben, wobei mindestens ein Grenzwert (GW) für die Signalhöhe vorgegeben ist, und wobei mindestens eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, die derartig beschaffen ist, dass sie die Zwischensignale (11) mit dem Grenzwert (GW) vergleicht, und dass sie ein Zwischensignal (11) zum Ausgang (5) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gibt, wenn das Zwischensignal (11) über dem Grenzwert (GW) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Filter (2) vorgesehen ist, der derartig beschaffen ist, dass er die Zwischensignale (11) mittelt, die innerhalb eines zweiten Zeitbereichs (t2), der größer als der erste Zeitbereich (t1) ist, liegen, wodurch sich Ausgangssignale (12) ergeben, und dass der zweite Filter (2) derartig beschaffen ist, dass er die Ausgangssignale (12) an den Ausgang (5) des Mess-/Überwachungsgerätes (3) gibt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingabeeinheit (6) vorgesehen ist, über die der Grenzwert (GW), der erste Zeitbereich (t1) und/oder der zweite Zeitbereich (t2) eingeben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zeitbereich (t2) ein ganzzahliges Vielfaches des ersten Zeitbereichs (t1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des zweiten Zeitbereichs (t2) identisch ist mit dem Beginn des ersten Zwischensignals (11), das in den zweiten Zeitbereich (t2) fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitbereich (t1) des ersten Filters (1) zwischen 2 ms und 5 s liegt.