DE19814763A1

DE19814763A1 - Sensor and processor system for analysis measurements in process technology

Info

Publication number: DE19814763A1
Application number: DE1998114763
Authority: DE
Inventors: Marc Buttmann
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 1999-10-07

Abstract

The device has a frequency sensor (8) to determine the frequency of a noise signal superimposed on the measurement signal itself. A measurement processing device (4) includes an integration device (6) that integrates the measurement signal over one or more time periods, where the periods are determined by the superimposed noise frequency determined using the frequency sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messwerterfassungs- und -verarbeitungssystem, insbesondere bei der Analysenmesstechnik im Prozessbereich, mit einem Messwertaufnehmer und einer MesswertverarbeitungseinrichtungThe invention relates to a measured value acquisition and processing system, especially at the Analysis measurement technology in the process area, with one Sensor and one Measured value processing device

In der Analysenmesstechnik im Prozessbereich werden Messwertsignale eines Sensors, bspw. eines pH-, Leitfähigkeits-, Trübungs- oder Gassensors oder eines Sensors, welcher die Sauerstoffionenkonzentration in einem Festkörper misst, erfasst und verarbeitet. Dabei ist der Messwertverarbeitung üblicherweise eine Anzeige des verarbeiteten Messwerts nachgeordnet. Messsysteme dieser Art werden durch periodisch auftretende Störgrößen beeinflusst, wobei sich die Einflüsse der Versorgungsspannung der Messelektronik als besonders nachteilig erweisen. So koppelt ein elektromagnetisches Feld in der Nähe der Messumgebung in die Messwerterfassungs- und -verarbeitungselektronik des Systems ein und induziert eine Spannung, welche dem Messwert überlagert wird und diesen verfälscht. Derartige Erscheinungen sind in einem üblichen 50 Hz-Versorgungsnetz als 50 Hz-Brumm bekannt.In analytical measurement technology in the process area Measured value signals from a sensor, for example one pH, conductivity, turbidity or gas sensor or one Sensor, which the oxygen ion concentration in one Solid measures, records and processes. Here is the Measured value processing usually a display of the processed measured value. Measuring systems this Kind become by periodically occurring disturbances influenced, whereby the influences of Supply voltage of the measuring electronics as special to prove disadvantageous. This is how an electromagnetic couples Field near the measurement environment in the Measurement acquisition and processing electronics of the System and induces a voltage which corresponds to the Measurement value is superimposed and falsified. Such Appearances are in a common 50 Hz supply network known as 50 Hz hum.

Bei Verwendung von Netztransformatoren wirken sich kapazitive Kopplungen zwischen galvanisch voneinander getrennten Sekundärwicklungen als nachteilig aus. Probleme existieren aber auch aufgrund eines unsymmetrischen Wicklungsaufbaus und des Auftretens von Streuinduktivitäten. Wenn zwei voneinander getrennte Sekundärwicklungen zur Spannungsversorgung der Messwerterfassungs- und -verarbeitungselektronik vorgesehen sind, so fließen aufgrund der vorstehend beschriebenen Effekte Ausgleichsströme, die miterfasst werden und die tatsächlichen Signale verfälschen.When using mains transformers have an effect capacitive couplings between galvanically from each other separate secondary windings as disadvantageous. Problems but also exist due to an asymmetrical Winding construction and the appearance of Leakage inductances. If two separate Secondary windings for power supply to the Measured value acquisition and processing electronics provided flow based on those described above Effects of equalizing currents that are also recorded and that distort actual signals.

Bei Netztransformatoren werden Halbleiterschaltungselemente wie Gleichrichterdioden verwandt, die beim "An- und Ausschalten" Abrissspannungen, sog. Störspitzen, verursachen, welche die ausgegebene Gleichspannung überlagern.In the case of network transformers, semiconductor circuit elements are used like rectifier diodes, which are used in the "On and Switch off "breakaway voltages, so-called interference peaks, cause the output DC voltage overlay.

Den beschriebenen nachteiligen Auswirkungen wurde seither durch Vorsehen geeigneter Filtermittel begegnet. Für die hauptsächlich störenden niederfrequenten und auf das Versorgungsnetz zurückzuführenden Störungen muss ein Tiefpass-Filtermittel eingesetzt werden. Hierdurch wird aber die Sprungantwortszeit verlängert, und das System wird träge.The adverse effects described have been since then countered by providing suitable filter media. For the mainly disturbing low frequency and on that Faults to be traced back to the supply network Low pass filter media are used. This will but the crack response time is extended, and the system will sluggish.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die negativen Auswirkungen der vorstehend beschriebenen Effekte auf die Messwerterfassung- und -ver arbeitung zu reduzieren.The present invention is therefore based on the object underlying the negative effects of the above described effects on the measured value acquisition and ver reduce work.

Diese Aufgabe wird bei einem Messwerterfassungs- und -ver arbeitungssystem der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches gekennzeichnet ist durch eine Frequenzerfassungseinrichtung zum Erfassen der Frequenz einer dem Messwert überlagerten Störung und durch eine der Messwertverarbeitungseinrichtung zugeordnete Integrationsvorrichtung zum Integrieren eines Messwertsignals über eine Integrationszeit von einer oder mehreren Perioden der durch die Frequenzerfassungseinrichtung ermittelten Störfrequenz.This task is carried out in a measured value acquisition and ver work system of the type described above solved, which is characterized by a Frequency detection device for detecting the frequency a fault superimposed on the measured value and by one of the Measured value processing device assigned Integration device for integrating a Measured value signal over an integration time of one or several periods of through the Frequency detection device determined interference frequency.

Gegenstand der Erfindung ist desweiteren ein Verfahren zur Messwerterfassung und -verarbeitung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.The invention further relates to a method for Measured value acquisition and processing with the characteristics of the Claim 7.

Die erfindungsgemäße Lösung macht sich die Periodizität der Störeinflüsse zunutze. Störeinflüsse, welche auf das Versorgungsnetz zurückzuführen sind, sind mit der Netzfrequenz bzw. Netzphase periodisch und synchron zu dieser. Durch die netzsynchrone Ansteuerung der Messwertverarbeitungseinrichtung durch Integration über eine oder mehrere Grundwellen der Störfrequenz lassen sich die hierdurch erzeugten Fehler "wegintegrieren", da sich die der positiven Halbwelle zuzuordnenden Störungen mit denen der negativen Halbwelle mathematisch zu Null addieren. Durch den Integrationsvorgang des störungsbehafteten Messwertsignals resultiert eine Messwert/Zeitfläche, die genau derjenigen des ungestörten Messwerts entspricht. Hieraus kann der fehlerfreie Messwert abgeleitet werden.The solution according to the invention makes the periodicity of Take advantage of interference. Interferences that affect the Are attributable to the Grid frequency or grid phase periodically and synchronously this. By synchronous control of the Measured value processing device through integration via one or more fundamental waves of the interference frequency can be "Integrate away" the errors generated thereby, since the disturbances attributable to the positive half-wave those of the negative half-wave mathematically zero add. Through the integration process of a faulty measured value signal results in a Measured value / time area exactly that of the undisturbed Measured value. The error-free measured value can be derived from this be derived.

Es ist also wesentlich, dass die Integrationszeit oder -dauer, also die Länge des Integrationsintervalls exakt der Zeit- bzw. Periodendauer einer Netzschwingung oder eines vielfachen davon entspricht. Die genaue Störfrequenz wird daher durch eine geeignete Elektronik in Form der Frequenzerfassungseinrichtung Vorort, insbesondere direkt aus der Netzspeisung, abgeleitet.So it is essential that the integration time or duration, that is, the length of the integration interval is exactly that Time or period of a network oscillation or one multiples of it. The exact interference frequency will be therefore by suitable electronics in the form of Frequency detection device on site, especially directly derived from the mains supply.

In vorteilhafter Weise ist noch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Integrationszeit entsprechend der von der Frequenzerfassungseinrichtung ermittelten Störfrequenz vorgesehen, welche in bestimmter oder wahlweise bestimmbarer Form die Integrationszeit ermittelt.Advantageously, there is also a device for Determine the integration time according to that of the Frequency detection device determined interference frequency provided which in certain or optional determinable form determines the integration time.

Die Frequenzerfassungseinrichtung ist vorzugsweise zum Erfassen einer niederfrequenten Netzfrequenz ausgebildet, da die sich ergebenden Störgrößen maßgeblich auf den Einfluss der Spannungsversorgung aus dem Netz herrühren können.The frequency detection device is preferably for Detection of a low-frequency network frequency, since the resulting disturbance variables are largely due to the Influence of the power supply originate from the network can.

Desweiteren weist die Messwertverarbeitungseinrichtung eine Normierungsstufe auf, in der ein vom Messwertaufnehmer aufgenommenes Rohmesswertsignal normiert wird.Furthermore, the measured value processing device has a Standardization level at which one of the sensors recorded raw measured value signal is normalized.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Messwerterfassungs- und -verarbeitungssystems. In der Zeichnung zeigt:Further features, details and advantages of the invention result from the graphic representation and following description of a preferred Measurement acquisition and processing system. In the Drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messwerterfassungs- und -ver arbeitungssystems; und Fig. 1 is a schematic representation of a measured value acquisition and -ver inventive processing system; and

Fig. 2 eine Darstellung eines Messwertsignals mit überlagerter niederfrequenter Störung und Andeutung der Integrationszeit. Fig. 2 is an illustration of a measurement signal with a superimposed low frequency interference, and indication of the integration time.

Fig. 1 zeigt ein Messwerterfassungs- und -ver arbeitungssystem, welches in der Analysenmesstechik und Prozessmesstechnik bspw. in Verbindung mit einem pH-, Leit fähigkeits-, Trübungs- oder Gassensor eingesetzt werden kann. Das von einem nicht dargestellten Sensor aufgenommene Messwertsignal wird an einen Messwertaufnehmer 2 gelegt. Das von dem Messwertaufnehmer erfasste Messwertsignal (Rohmesswert) wird einer Messwertverarbeitungseinrichtung 4 zugeführt, bei der es sich bspw. um eine analoge Verstärkungseinrichtung und/oder eine intelligente, also einen Prozessor umfassende Verarbeitungseinrichtung handeln kann. Die Messwertverarbeitungseinrichtung 4 umfasst eine nicht dargestellte Normierungsstufe, in der aus dem unverarbeiteten Messwertsignal ein normiertes Messwertsignal gebildet wird. Ferner ist der Messwertverarbeitungseinrichtung 4 eine Integrationsvorrichtung 6 zugeordnet, in der das normierte Messwertsignal über eine bestimmte Integrationszeit integriert wird. Die Integrationszeit wird in Abhängigkeit der Frequenz einer das Messwertsignal überlagernden Störung gewählt. Zu deren Bestimmung ist eine Frequenzerfassungseinrichtung 8 vorgesehen, die zur Erfassung einer insbesondere niederfrequenten Störung, insbesondere einer durch die Versorgungsspannung des Systems hervorgerufenen Störung, ausgebildet ist. Es kann sich hierbei bspw. um eine Trafowicklung, eine Induktionsschleife oder eine niederfrequente Antennenstruktur handeln. Zusätzlich zu der Frequenzerfassungseinrichtung 8 ist eine Vorrichtung 10 zum Bestimmen einer geeigneten Integrationszeit in Abhängigkeit der von der Einrichtung 8 ermittelten Störfrequenz vorgesehen. Bei dieser Integrationszeit kann es sich um die Periodendauer einer Grundschwingung der Störung oder eines vielfachen davon handeln. Die so ermittelte Integrationszeit wird der Integrationsvorrichtung 6 eingegeben. Der Ausgang der Integrationsvorrichtung 6 stellt dann das verarbeitete Messwertsignal dar und kann an eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung ausgegeben werden. Fig. 1 shows a measurement value acquisition and processing system, which can be used in analytical measurement technology and process measurement technology, for example in connection with a pH, conductivity, turbidity or gas sensor. The measured value signal recorded by a sensor, not shown, is applied to a measured value sensor 2 . The measured value signal (raw measured value) detected by the measured value sensor is fed to a measured value processing device 4 , which can be, for example, an analog amplification device and / or an intelligent processing device, that is to say a processor. The measured value processing device 4 comprises a normalization stage, not shown, in which a standardized measured value signal is formed from the unprocessed measured value signal. Furthermore, the measured value processing device 4 is assigned an integration device 6 , in which the standardized measured value signal is integrated over a specific integration time. The integration time is selected as a function of the frequency of a disturbance superimposed on the measured value signal. To determine this, a frequency detection device 8 is provided, which is designed to detect an in particular low-frequency interference, in particular an interference caused by the supply voltage of the system. This can be, for example, a transformer winding, an induction loop or a low-frequency antenna structure. In addition to the frequency detection device 8 , a device 10 is provided for determining a suitable integration time as a function of the interference frequency determined by the device 8 . This integration time can be the period of a fundamental oscillation of the disturbance or a multiple thereof. The integration time determined in this way is input to the integration device 6 . The output of the integration device 6 then represents the processed measured value signal and can be output to a display device, not shown.

Fig. 2 verdeutlicht die Vorgänge beim Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Dargestellt ist der zeitliche Verlauf eines mit einer niederfrequenten periodisch auftretenden Störung überlagerten Messwertsignals 12. Man erkennt eine Art Schwebung, wie sie bspw. durch den 50 Hz-Brumm also die induktive Kopplung der Netzspannung in die Messwertverarbeitungseinrichtung 4 eingespielt wird. Dem überlagert erkennt man sowohl in der positiven wie in der negativen Halbwelle eine Störspitze 14, wie sie bspw. beim Schalten eines Halbleiterelements, bspw. bei der Gleichrichtung von Wechselspannungen auftreten können. Wird in der Integrationsvorrichtung 6 (Fig. 1) über die Integrationszeit 16, also die Periodendauer der überlagerten Störgröße integriert, so wird der Einfluss der Störgröße mathematisch eliminiert und man erhält das ungestörte Messwertsignal 18, das dann zur Anzeige gebracht werden kann oder in beliebiger anderer Weise weiterverarbeitet werden kann. Fig. 2 illustrates the processes in the operation of the system according to the invention. The course over time of a measured value signal 12 superimposed with a low-frequency periodically occurring disturbance is shown. A type of beat can be seen, as is introduced, for example, by the 50 Hz hum, ie the inductive coupling of the mains voltage, into the measured value processing device 4 . Superimposed on this, an interference peak 14 can be seen in both the positive and the negative half-wave, as can occur, for example, when switching a semiconductor element, for example when rectifying AC voltages. If the integration device 6 ( FIG. 1) integrates over the integration time 16 , i.e. the period of the superimposed disturbance variable, then the influence of the disturbance variable is mathematically eliminated and the undisturbed measurement signal 18 is obtained , which can then be displayed or in any other Way can be processed.

Claims

1.Measured value acquisition and processing system, in particular in analytical measurement technology in the process area, with a measured value pick-up ( 2 ) and a measured value processing device ( 4 ), characterized by a frequency recording device ( 8 ) for detecting the frequency of a disturbance superimposed on the measured value and by one of the measured value processing device ( 4 ) associated integration device ( 6 ) for integrating a measured value signal over an integration time of one or more periods of the interference frequency determined by the frequency detection device ( 8 ).

2. Measurement value acquisition and processing system according to claim 1, characterized by a device ( 10 ) for determining the integration time in accordance with the interference frequency determined by the frequency detection device ( 8 ).

3. Measurement value acquisition and processing system according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency detection device ( 8 ) is designed to detect a low-frequency network frequency.

4. Measurement value acquisition and processing system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the measurement value processing device ( 4 ) has a standardization level in which a measurement value signal recorded by the measurement value sensor is formed.

5. Measurement value acquisition and processing system according to claim 4, characterized in that an output of the standardization level is given to the integration device ( 6 ).

6. Process for data acquisition and processing, comprising the following process steps:

- acquisition of a measured value signal,
Detection of the frequency of a disturbance superimposing the measured value signal,
Determining an integration time in accordance with the determined interference frequency,
- Integrating the measured value signal over the determined integration time to eliminate the disturbance.