DE1265440C2

DE1265440C2 - Schaltung zur selbsttaetigen Bestimmung der Streubreite von Messwerten

Info

Publication number: DE1265440C2
Application number: DE1957T0014257
Authority: DE
Inventors: Helmut Matschiner; Dipl-Ing Bernhard Rall
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1957-10-09
Filing date: 1957-10-09
Publication date: 1968-11-28
Also published as: DE1265440B

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

Deutsche Kl.: 42 d -10

Aktenzeichen: T14257IX b/42 d

Auslegetag: 4. April 1968

Ausgabetag: 28. November 1968
Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Automatische Meß- und Prüfgeräte finden in der Industrie, insbesondere bei der automatischen Fertigung, in zunehmendem Maße Verwendung. Man strebt zur Kontrolle der Erzeugnisse die Messung ihrer Eigenschaften in Form elektrischer Größen an. Ist die zu überwachende Größe nicht selbst elektrischer Natur, so gestatten geeignete Wandler die Überführung in eine proportionale elektrische Größe, z. B. in eine Gleichspannung größer als 100 mV oder in einen Strom größer als 1 mA.

Bei der automatischen Fertigung von Massenartikeln, wie z. B. Rundfunkröhren, ist es nicht notwendig und wirtschaftlich nicht tragbar, die Eigenschaften jedes Einzelexemplars genau zu messen, vielmehr wird nach gewissen Arbeitsgängen an Stichproben der Mittelwert und die Streubreite der wesentlichen Eigenschaften geprüft und daraus mit großer Wahrscheinlichkeit auf die Maßhaltigkeit der übrigen Exemplare innerhalb vorgeschriebener Toleranzen geschlossen.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur selbsttätigen Bestimmung der Streubreite einer Reihe von in Form von Gleichspannungen vorliegenden Meßwerten . _n

x„ (η = 1 ... yj

mit einem an einen Meßwertdiskriminator angeschlossenen Spannweitenrechner, bestehend aus einer Umschaltstufe und Speichermitteln für den größten und kleinsten Meßwert einer Gruppe von Meßwerten sowie einer die Speichermittel löschenden Rückstelleinrichtung, und mit einer den Speichermitteln nachgeschalteten, die Spannweiten aufeinanderfolgender Gruppen mittelnden Meßvorrichtung.

Zur genauen Bestimmung der Streubreite in einer bestimmten Menge von Meßwerten ist die Kenntnis des Mittelwertes dieser Meßwerte notwendig. Dieser kann jedoch erst nach der Auswertung der vorgegebenen Anzahl von Meßwerten zur Verfugung stehen, so daß erst anschließend die Streubreite bestimmt werden kann. Außerdem ist dazu die Kenntnis der einzelnen Meßwerte notwendig, die also bis zum Ende der Auswertung gespeichert werden müssen. Die Erfindung geht von einem bekannten Verfahren aus, näherungsweise Streubreite und Mittelwert von Meßwerten zu bestimmen, ohne daß diese bis zum Ende der Messung der Gesamtmenge gespeichert werden müssen. Dabei wird die folgende Näherungsformel für die Streubreite B zugrundegelegt: · _ f Schaltung zur selbsttätigen Bestimmung der
Streubreite von Meßwerten

Patentiert für:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
7900 Ulm, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Bernhard Rail,
Helmut Matschiner, 7900 Ulm

Dabei ist N die vorgegebene Anzahl von Meßwerten der auszuwertenden Menge, während die x„ (n = 1 ... N) die einzelnen Meßwerte sind. Diese Formel ist beispielsweise dem Buch »Moderne Qualitätskontrolle« von WiIlemze und Schaafsma, Philips Technische Bibliothek, 1955, zu entnehmen.

Es ist eine Schaltung bekanntgeworden, um die zur Auswertung der genannten Formel notwendige Summierungsoperation durch geeignete Rechenwerke ausführen zu lassen. Die bekannte Schaltung ist jedoch unter Verwendung von Analogrechenbausteinen aufgebaut, deren typische Nachteile, wie Genauigkeitsmängel, Temperaturabhängigkeit und Abstimmschwierigkeiten, bekannt sind. Zudem arbeitet die bekannte Schaltung mit Speichermitteln, in denen die Extremwerte innerhalb der zu untersuchenden Gruppe von Meßwerten während des gesamten Rechenvorganges gespeichert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, die die genannte Aufgabe unter Verwendung von digitalen Rechenbausteinen löst, wobei eine weitere Einsparung an Bauelementen, insbesondere Speichern, angestrebt wurde. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Schaltung zur selbsttätigen Bestimmung der Streubreite einer Reihe von in Form von Gleichspannungen vorliegenden Meßwerten

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mit einem an einen Meßwertdiskriminator angeschlossenen Spannweitenrechner, bestehend aus einer Umschaltstufe und Speichermitteln für den größten und kleinsten Meßwert einer Gruppe von Meßwerten sowie einer die Speichermittel löschenden Rückstelleinrichtung, und mit einer den Speichermitteln nach-

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geschalteten, die Spannweiten aufeinanderfolgender Gruppen mittelnden Meßvorrichtung als Meßwertdiskriminator eine Klassiereinrichtung vorgesehen ist, bestehend aus einem von efner Impulsquelle über ein Stromtor gesteuerten Klassierzähler, dessen S 'treppenförmige Vergleichsspannung dem Stromtor zugeführt ist, das bei Uberschreiten der Meßspannung durch die Vergleichsspannung gesperrt ist, und aus einem Rückstellimpulsgeber, daß der Spannweitenrechner als Speichermittel einen reversiblen Zähler aufweist, der über einen Umschalter an den gleichen Impulsausgang des Stromtores wie der Klassierzähler angeschlossen und von dem Rückstellimpulsgeber abwechselnd auf Vor- und Rückwärtszählung einstellbar ist, so daß die Differenz der jeweils zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten entsprechenden Impulsreihen gebildet wird, daß als mittelwertbildende Meßvorrichtungein Summenzähler vorgesehen ist, der über den durch jeden zweiten Impuls des Rückstellimpulsgebers betätigten Umschalter zusammen mit dem reversiblen Zähler unmittelbar an den Impulsgeber so lange angeschlossen ist, bis eine dem Zählerstand des reversiblen Zählers entsprechende Impulszahl in beide Zähler eingezählt und der Umschalter von dem dabei zurückgestellten reversiblen Zähler betätigt ist.

Zur zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die erfindungsgemäße Schaltung wird im folgenden in einem Ausführungsbeispiel an Hand der Abbildung näher erläutert.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß lediglich ein einziger Speicher erforderlich ist, um die Extremwerte der Meßwerte für den Rechenvorgang aufzunehmen.

Die als Mehrwertdiskriminator vorgesehene Klassiereinrichtung ist wie folgt aufgebaut. Ein von einem Differenzverstärker gesteuertes Stromtor ist durch die in den Block 2 eingeschlossenen Schaltelemente gebildet. An der Klemme 1 wird die Meßspannung und an der Klemme 3 die erwähnte Treppenspannung mit geeigneter Stufenhöhe zugeführt, die in weiter unten zu beschreibender Weise in der Zählerschaltung 4 erzeugt wird. Das Stromtor 2 ist geöffnet, solange die Spannung an der Klemme 3 kleiner als die Spannung an der Klemme 1 bleibt (gleiche Polarität vorausgesetzt) und wird gesperrt, sobald die Spannung an der Klemme 3 die Spannung an der Klemme 1 überschreitet. Das Stromtor be- so steht aus einer Diode 5, die zwischen den Kollektoren zweier Transistoren 6 und 7 so eingeschaltet ist, daß sie leitend ist, wenn der Strom im Transistor? größer ist als der im Transistor 6, während sie im umgekehrten Falle gesperrt ist. An der Basis des ■ Transistors6 liegt die Meßspannung über die Klemme 1 und an der Basis des Transistors? die treppenförmige Vergleichsspannung u„ über die Klemme 3, so daß der Strompfad zwischen den Klemmen 8 und 9, zwischen denen die Diode 5 eingeschaltet ist, für positive Impulse leitend oder gesperrt ist, je nachdem, ob die Vergleichsspannung an der Klemme 3 kleiner oder größer als die Meßspannung an der Klemme 1 ist.

Weiterhin ist ein Impulsgeber 10 vorgesehen, der eine regelmäßige Folge von ImpiIlsen erzeugt. Diese ⁶S Impulse werden über die Klemme 8 dem Stromtor 2 zugeführt und von der Klemme 9 Uber den Schalter 11 zu dem Zähler 4 hindurchgelassen. Der Zähler 4 ist beispielsweise als vierstelliger Binärzähler ausgebildet, der aus vier Flip-Flop-Stufen 12, 13, 14 und 15 besteht. Jede dieser Flip-Flop-Stufen ist über einen Widerstand 16, 17, 18 bzw. 19 mit der Eingangsklemme 3 der Torschaltung 2 verbunden. In diesen Widerständen fließt jeweils ein Strom, wenn die zugehörige Flip-Flop-Stufe eine Eins zählt, und kein Strom, wenn sie eine Null zählt. Dabei sind die Widerstände so bemessen (z. B. 16 = 80 Kiloohm 17 = 40 Kiloohm, 18 = 20 Kiloohm, 19 = 10 Kiloohm), daß sich die Spannung u_v bei jedem vom Schaltern eintreffenden Impuls um eine Stufe von der gleichen Höhe Λ u vergrößert. Diese Spannung wird den Eingangsklemmen 3 des Stromtores zugeführt und sperrt das Stromtor, wie bereits erwähnt, sobald' sie die an den Klemmen 1 zugeführte Meßspannung u_x überschreitet. Damit gelangen keine weiteren Impulse auf den Zähler 4, so daß die Spannung u_v auch nicht weiter erhöht wird.

Die Anzahl der bei einer Messung vom Stromtor 2 zum Zähler 4 durchgelassenen Impulse ist damit ein Maß für die Größe des Meßwertes u_x.

Zur Bildung der absoluten Differenz zweier aufeinanderfolgender, in der vorstehend beschriebenen Weise klassierter Meßwerte dient ein reversibler Zähler 20, d. h. ein Zähler, der sowohl vorwärts als auch rückwärts zählen kann. Der Eingang dieses Zählers ist ebenfalls mit dem Schalter 11 verbunden und zählt daher die gleiche Impulszahl, die auch dem Zähler 4 zugeführt wird. Es sei angenommen, daß der reversible Zähler zunächst auf Vorwärtszählen steht, so daß die dem ersten Meßwert entsprechende Impulsreihe nach Beendigung desselben dort positiv gespeichert ist.

Zur Entnahme des nächsten Meßwertes wird ein Nullstellungsimpulsgeber 21 betätigt, welcher über die Klemme 22 den Zähler 4 auf Null zurückstellt, womit gleichzeitig die Vergleichsspannung an der Klemme 3 gleich Null wird. Das Stromtor 2 öffnet sich daher, und eine neue Anzahl von Impulsen gelangt wieder vom Impulsgeber 10 über den Schalter 11 in den Zähler 4. Diese Zahl gibt ein Maß für die nunmehr an der Klemme 1 zugeführte Meßspannung an. Gleichzeitig ist durch den Nullstellungsimpuls vom Impulsgeber 21 ein Impuls zu dem Teiler 23 über seine Klemme 24 an die Klemme 25 des reversiblen Zählers 20 gelangt und schaltet diesen auf Rückwärtszählen um. Die zweite, über den Schalter 11 zum Zähler 20 gelangende Impulszahl wird also von der ersten bereits dort gespeicherten Impulsreihe subtrahiert. Ist die zweite Impulszahl kleiner als die erste, so steht am Ende die Differenz ^xin-\ — ^xin positiv im Zähler 20. Ist die zweite Impulszahl größer als die erste, so erreicht der Zähler den Wert Null und erzeugt in diesem Augenblick an der Klemme 26 einen Impuls, der über die Klemme

27 den Zähler wieder auf Vorwärtszählen umschaltet. Die Uberschießenden Impulse der zweiten Impulsreihe werden also positiv gezählt, so daß auch in diesem Falle nach Beendigung der zweiten Impulsreihe der Absolutwert der Differenz der beiden Impulszahlen im Zähler 20 steht.

Der Teiler 23 ist so eingerichtet, daß er die vom Impulsgeber 21 eintreffenden Impulse immer abwechselnd über die Klemme 24 und über die Klemme

28 weiterleitet. Durch Dioden 29 und 30 sind die Klemmen 24 und 28 so miteinander verbunden, daß alle Impulse zur Klemme 25 des Zählers 20, aber nur

Claims

jeder zweite an die Steuerklemme B des Schalters 11 gelangen. Bei Eintreffen eines Impulses an der Klemme B des Umschaltersll wird dieser in seine Stellung b umgeschaltet. Dadurch wird der reversible Zähler 20 von der Klemme 9 der Torschaltung 2 abgetrennt und direkt mit dem Impulsgeber 10 verbunden. Gleichzeitig wird ein weiterer Zähler 30, der die Streubreite messen soll, über den Schalter mit dem Impulsgeber 10 verbunden. Durch denselben Impuls, der über die Klemmen 28 und B den Schaltern umschaltete, wird zugleich auch der reversible Zähler 20 über 29,25 wieder auf Rückwärtszählen gestellt, wenn er nicht bereits vorher in dieser Stellung stand. Die vom Impulsgeber 10 direkt über den Schalter 11 geleiteten Impulse entleeren jetzt also den Zähler 20 bis auf Null, während im Zähler 30 eine entsprechende Anzahl von Impulsen hinzugezählt wird. Sobald der Zähler 20 auf Null kommt, werden über die Klemme 26 und die Klemme A des Umschalters 11 die Eingänge des reversiblen Zählers 20 und des Zählers 4 wieder an die Klemmen 3 der Torschaltung 2 gelegt und Zähler 20 über Klemme 27 gleichzeitig auf Positivzählen eingestellt. Jedesmal nach Klassierung zweier Meßwerte im Zähler 4 und Bildung ihrer absoluten Differenz Ix2n-I — X2J 'm Zähler 20 wird dieser Betrag, wie man sieht, in den Zähler 30 übertragen und dort zur Bildung der Summe Diese Zähler können in an sich bekannter Weise auch so geschaltet sein, daß durch sie die Summenhäufigkeit angegeben wird. Als Zähler verwendet man vorteilhaft, insbesondere für die schneller laufenden Zählvorgänge, elektronische Zähler, die z. B. aus Flip-Flop-Stufen aufgebaut sind. Für langsamere Zählvorgänge können auch mechanische Zähler verwendet werden. Der Umschalter 11 ist in der Zeichnung als polarisiertes Relais mit zwei ίο Ruhelagen dargestellt, doch kann es vorteilhaft sein, auch diesen Schalter als elektronischen Schalter auszubilden. Die beschriebene Anordnung eignet sich zur überwachung einer kontinuierlich veränderlichen Span's nung, die dann dauernd an der Klemmel angeschlossen bleibt. In diesem Falle wird man den Impulsgeber 21 so ausbilden, daß er in regelmäßigen Abständen einen Impuls zur Auslösung eines neuen Meßvorgangs automatisch abgibt. Soll die Anordnung, wie in der Einleitung angedeutet, zur Fertigungskontrolle verwendet werden, so wird man die Auslösung eines Impulses im Impulsgeber 21 von der jeweiligen Anschaltung eines neuen Meßobjekts an die Klemme 1 abhängig machen. In jedem Falle wird man eine 2S Vorrichtung vorsehen, die nach Beendigung einer Meßreihe und Ablesung der Zähler die Zähler 31, 21 und 32 gleichzeitig auf Null stellt, damit eine neue Meßreihe beginnen kann. K2n-1 — *2nl aufaddiert. Durch Multiplikation dieser nach N Messungen im Zähler 30 stehenden Größe mit dem Faktor yyj · N erhält man dann gemäß Gleichung(I) die Streubreite. In vielen Fällen kann diese Multiplikation entfallen, wenn nämlich lediglich größere Veränderungen der Summe betrachtet werden sollen. Für genaue Auswertungen wird die Summe dem Zähler entnommen und außerhalb der Rechenschaltung mit dem genannten Faktor multipliziert. Um eine Meßreihe nach der vorgegebenen geraden Anzahl N von Messungen abzubrechen, ist an den Impulsgeber 21 ein Zähler 31 angeschlossen, der bei Erreichen der Zahl N ein Signal gibt oder über eine Steuerschaltung die weiteren Messungen unterbricht, z. B. indem der Impulsgeber 10 stillgelegt wird. Zur gleichzeitigen Bestimmung des Mittelwertes der Meßwerte kann parallel zum Zähler 4 ein weiterer Zähler 32 vorgesehen sein, in dem die Summe aller Meßwerte Σ Xn Patentansprüche:

1. Schaltung zur selbsttätigen Bestimmung der Streubreite einer Reihe von in Form von Gleichspannungen vorliegenden Meßwerten

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gebildet wird. Durch Division dieser Größe mit N ergibt sich der Mittelwert. Gemäß dem oben Gesagten kann in vielen Fällen diese Division entweder eingespart werden, oder es ist möglich, durch Wahl der Größe N die Divisionen zu vereinfachen, indem nämlich N als Zehnerpotenz gewählt wird.

Weiterhin kann an den Zähler 4 über eine geeignete Verteilerschaltung, z. B. Diodenmatrix, eine weitere Zählergruppe mit je einem Zähler für jede Meßwert-Größenklasse angeschlossen sein, so daß die Häufigkeitsverteilung der Meßwerte direkt ablesbar ist.

mit einem an einen Meßwertdiskriminator angeschlossenen Spannweitenrechner, bestehend aus einer Umschaltstufe und Speichermitteln für den größten und kleinsten Meßwert einer Gruppe von Meßwerten sowie einer die Speichermittel löschenden Rückstelleinrichtung, und mit einer den Speichermitteln nachgeschalteten, die Spannweiten aufeinanderfolgender Gruppen mittelnden Meßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertdiskriminator eine Klassiereinrichtung (2, 4,10, 21) vorgesehen ist, bestehend aus einem von einer Impulsquelle(IO) über ein Stromtor (2) gesteuerten Klassierzähler (4), dessen treppenförmige Vergleichsspannung dem Stromtor (2) zugeführt ist, das bei Uberschreiten der Meßspannung durch die Vergleichsspannung gesperrt ist, und aus einem Rückstellimpulsgeber (21), daß der Spannweitenrechner als Speichermittel einen reversiblen Zähler (20) aufweist, der über einen Umschalter(U) an den gleichen Impulsausgang des Stromtores (2) wie der Klassierzähler (4) angeschlossen und von dem Rückstellimpulsgeber (21) abwechselnd auf Vor- und Rückwärtszählung einstellbar ist, so daß die Differenz der jeweils zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten entsprechenden Impulsreihen gebildet wird, daß als mittelwertbildende Meßvorrichtung ein Summenzähler (30) vorgesehen ist, der über den durch jeden zweiten Impuls des Rückstellimpulsgebers (21) betätigen Umschalter (11) zusammen mit dem

reversiblen Zähler (20) unmittelbar an den Impulsgeber (10) so lange angeschlossen ist, bis eine den Zählerstand des reversiblen Zählers (20) entsprechende Impulszahl in beide Zähler (20, 30) eingezahlt und der Umschalter (11) von dem dabei zurückgestellten reversiblen Zähler (20) betätigt ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontrollzähler (31) vorgesehen ist, dem für jeden Meßwert ein Zählimpuls zugeführt wird und der auf Grund des iV-ten Meßwerts ein Signal abgibt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Summenzähler (32) an den Impulsausgang des Stromtores (2) über den UmschaIter(Il) gleichzeitig mit dem reversiblen Zähler (20) angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 663 727; USA.-Patentschriften Nr. 2 688 740, 2 767 914; ίο A. H. S c h a a f s m a, F. J. W i 1 1 e m ζ e, »Moderne Qualitätskontrolle«, 1955, S. 103 bis 120.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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