DE2419022A1

DE2419022A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung von analogen daten in waagen

Info

Publication number: DE2419022A1
Application number: DE19742419022
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Ing Grad Melcher; Juergen Dipl Ing Ober
Original assignee: Sartorius Werke GmbH
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1974-04-19
Publication date: 1975-10-30
Also published as: FR2268255A1; DE2419022C3; FR2268255B1; GB1475818A; DE2419022B2

Description

DR. MÜLLER-BORE DIPL-ING. GROEN !NG DIPL-CKEM. DR. DEUFEL

DI¹³L-CHEM. DR. S C H 2 N DIPL-PHYS. HEBTEl

PATENTANWÄLTE

München, den Hl/th - S 2635

C ar toi" ius -Wer]; e GmbH

3 4oo Göttinqen

Vveender Landstraße 96/1 o2

Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von analogen Daten

in Waagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von analogen Daten, die bei Waagen, insbesondere bei Präzisions- und i'einwasgen, als elektrische Signale gewonnen werden, in denen dem zu ermittelnden Meßwert Störsignale mit verschiedenen Frequenzen überlagert sind, welche durch Ausfiltern aus dem Heßsignal unterdrückt werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Es ist bekannt, daß an elektrischen oder elektronischen Waagen den Meßsignalen, welche häufig als Gleichspannungen vorliegen, Störsignale überlagert sind, die den Meßwert verfälschen können, wenn sie nicht eliminiert werden* Ua das Nutzsignal vom Störsignal zu trennen, ist es bekannt,-integrierende RC-Glieder zu verwenden, um die unerwünschten Störsignalkomponenten auszufiltern oder auszusieben".

Derartige Verfahren erfordern für ihre Wirksamkeit Zeitkonstanten, welche gegenüber der Periodendauer der überlagerten Störkomponenten verhältnismäßig groß sind. Dadurch ergibt sich jedoch insbesondere dann eine sehr lange Meßzeit, wenn die Störkomponenten

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niederfrequente SchKiiigimgen enthalten« Derartige niederfrequente Schwingungen körn)tr; bei Präaisions- und !''einwaageri leicht dann auftreten, vrenn an bestimmten Bauteilen der Waage, wie bei Bchn.: en, ein Schaukeln εναί'tritt oder \ierm die ZeiLl.onstanC.n von Regelkreisen bestimmten Vcraiiderungea. oder Gcin/iugungcn mit er wo rf en sind«. Die erforderliche Keßseit wird um so größer, je höher die Auflösung des Meßwertes sein muß*

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung d.:;r eingangs genannten. Art zu schaffen, welche bei möglichst geringem gerätetechnischem Aufwand und bei einer besonders kurzen Binstellseit der Waage eine außerordentlich exakte Ausfilterung der Störkomponenten gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß verhältnismäßig hochfrequente Störkoaponenten aus dem analogen Meßsignal ausgefiltert werden, daß anschließend das verbleibende Restsignal digitalisiert wird und daß die verhältnismäßig niederfrequenten Störkomponenten in dem digitalen Meßsignal durch digitale Filterung eliminiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß ein passives RC-Filter vorgesehen ist, dem ein Analog-Digital-Wandler nachgeschalt Gt ist, und daß an den Analog-Digital-Wandler ein digitales Filter angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal einer digitalen Meßwert-Verarbeitungseinrichtung zuführbar ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß der Mittelwert jeweils aus einer konstanten Anzahl von aufeinanderfolgenden Digitalwerten gebildet \tfird.

Dieses Verfahren ist vorteilhaft dann anwendbar, wenn dem Nutzsignal Störkomponenten mit verhältnismäßig kleiner Amplitude und

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im v/es entliehen konstanter Frequenz überlagert ßind. Zwecktnäßigerweise wird die Anzahl dor Bigitalwei'te derart gewählt, daß die Summationszeit möglichst genau einem Viölfachen der Periodendauer der überlagerten Störkoroponente entspricht. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es mit außerordentlich geringem Aufwand an Programmierung und Speicherung durchführbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Mittelwert jeweils aus einem festen ^rieil der Digitalwerte in einem bestimmten Zeitabschnitt gebildet wird.

Bei diesem Verfahren ändert sich der errechnete Wert jeweils nach einer Analog-Digital-Wandlung« Dieses Verfahren eignet sich insbesondere bei Störkomponenten mit verhältnismäßig großer Amplitude und im wesentlichen konstanter Frequenz, da sich nämlich

dieses Verfahren mehrfach hintereinander anwenden und mit dem vorstehenden Verfahren kombinieren läßt.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Anzahl der zur Mittelwertbildung verwendeten Digitalwerte in Abhängigkeit von der Frequenz der Störsignale gewählt und Änderungen in der Frequenz der Störsignale fortwährend angepaßt wird.

Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anzahl der jeweils.zur Mittelwertbildung verwendeten Digitalwerte von Fall zu Fall bestimmt. In Abhängigkeit von der Frequenz der überlagerten Störkomponenten wird somit jeweils eine optimale Anzahl von Digitalwerten ermittelt. Zur Feststellung der Periodendauer der Störkomponenten kann beispielsweise die Anzahl der Maxima oder der Minima oder auch der gleichsinnigen Wendepunkte herangezogen werden, wobei jedoch in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist, daß für die zur Mittelwertbildung herangezogenen Digitalwerte eine Mindestzahl vorgegeben ist.

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Dieses Verfahren eignet sich vor allem bei Störsignalen mit kleiner Amplitude und veränderlicher Frequenz.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß derjenige Zeitabschnitt, in welchem Digitalwerte zur Mittelwertbildung verwendet werden, in Abhängigkeit von der Frequenz der Störsignale gewählt und Änderungen in der Frequenz der Störsignale fortwährend angepaßt wird.

Dieses Verfahren ist ebenfalls dann vorteilhaft anwendbar, wenn die Frequenz der überlagerten Störkomponenten veränderlich ist, was beispielsweise.dann auftreten kann, wenn die Eigenfrequenzen eines Waagebalkens sich mit der wechselnden Belastung ändern.

Um den Wirkungsgrad der Filterung zu erhöhen, ist es weiterhin möglich, verschiedene erfindungsgemäße Verfahren miteinander zu kombinieren oder nacheinander wiederholt anzuwenden.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche technische Fortschritt erreichbar, daß auch bei verhältnismäßig starken Störkomponenten mit erheblichen Schwankungen in ihrer Frequenz und ihrer Amplitude die Einstellzeit einer Waage bei gleichbleibend guter Keßgenauigkeit erheblich reduziert werden kann.

Die Erfindung ist dann besonders vorteilhaft anwendbar, wenn die Wägeergebnisse rechnerisch weiterverarbeitet werden, was beispielsweise in einer automatischen Tariereinrichtung oder bei einer digitalen Stillstandskontrolle der Fall ist. Eine zu diesem Zweck erforderlich elektronische Datenverarbeitungsanlage läßt sich leicht in der Weise programmieren, daß auch die digitale Filterung ausgeführt wird.

Weiterhin weist das erfindungsgemäße Verfahren den besonderen Vorteil auf, daß die Filtercharakteristik ohne gerätetechnische Veränderungen unterschiedlichen Anwendungserfordern!εsen besonders

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leicht dadurch angepaßt v/erden kann, daß lediglich eine Änderung im entsprechenden Programm vorgenommen zu v/erden braucht« Vorzugsweise kann das Programm derart aufgebaut sein, daß die Filtercharakteristik grundsätzlich variabel ist und zwar derart, daß in Abhängigkeit von den ermittelten Störfrequenzen die jeweils optimalen Filtercharateristiken im entsprechenden Programm aufgerufen und angewandt v/erden» Diese Vorgehensv/eise birgt den weiteren nennenswerten Vorteil in sich, daß für die Genauigkeit und/oder die Einstellzeit der Waage Toleranzen im Programm vorgebbar sind, -welche leicht dadurch eingehalten werden können, daß durch entsprechende Kombination von verschiedenen Filterverfahren und/oder deren wiederholte Anwendung die Störsignalunterdrückung an die jeweiligen Eigenschaften der Störsignale besonders gut angepaßt werden kann.

Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin, daß den lastabhängigen Veränderungen der überlagerten Störsignale in besonders einfacher V/eise Rechnung getragen werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dient,

Fig. 3 eine,schematische Darstellung, in welcher ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert ist, und

Fig. 4a bis 4c jeweils den Unterdrückungsgrad von Störkomponenten in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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Gem%ß Fig. 1 wird der Rohmeßwsrt zunächst einem passiven RC-Filter 1 zugeführt. Der häufig als Gleichspannung vorliegende Rohmeßwert wird im RC-Filter 1 von den verhältnismäßig hochfrequenten Störkomponenten eines eventuell überlagerten Storni goals befreit„ Zu diesem Zweck kann das RC-Filter 1 eine relativ kleine Zeitkonstante haben. Auf diese Weise wird dem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 3 über einen Verstärker 2 eine Spannung zugeführt, welche in bezug auf die Zykluszeit des Analog-Digital-Wandiers 3 verhältnismäßig glatt ist. Uacn dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wurden in der Praxis mit einem RC-Filter 1 befriedigende Ergebnisse erzielt,, bei welchem die Periodendauer der durchgelassenen ßtörkomponenten mindestens das Fünffache der Zykluszeit des Analog-Digital-Wandlers 3 beträgt.

Weiterhin wird gemäß Fig. 1 das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandler 3 einem digitalen Filter 4 zugeführt, welches derart aufgebaut ist, daß aus einer vorgebbaren Anzahl von periodisch aufeinanderfolgenden Digitalwerten jeweils ein Mittelwert gebildet wird«. Verschiedene Verfahren der digitalen.Filterung, die sich insbesondere zur Anwendung in Präzisions- und Feinwaagen eignen_? werden unten anhand der Fig. 2 bis 4- naher erläutert.

Gegebenenfalls kann die digitale Filterung mehrfach wiederholt werden, indem mehrere digitale Filter hintereinander-geschaltet werden.

Das Ausgangssignal des letzten digitalen Filters wie 4- wird einer digitalen Meßwert-Verarbeitungseinrichtung 5 zugeführt, in welcher die Auswertung der aufbereiteten Meßwerte erfolgt. Zweckmäßigerweise wird eine elektronische Datenverarbeitungsanlage zur Auswertung der Meßwerte verwendet, die unter Umständen auch das Programm für die digitale Filterung enthält.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Verfahren der digitalen Filterung, bei welchem der Mittelwert jeweils aus einer

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konstanten Anzahl von aufeinanderfolgenden Digitalwerten gebildet wird. Im oberen Teil der Pig. 2 ist die Amplitude A eines Störsignals über der Zeit t aufgetragen* I:a diesem dargestellten Aukführungsbeißpiel wird aus jeweils sieben aufeinanderfolgenden Abtastungen pro Periode ein Mittelwert gebildet. Dieser Hittelwert ist im unteren Teil der Fig. 2 dargestellt. Für die Zeit von η - 9 bis η + 11 werden die Mittelwerte (m - 1), m und (ra + 1) ermittelt. Die Anzahl η ist derart gewählt, daß die Summationszeit möglichst 'genau einem Vielfachen der Periodendauer der überlagerten Storschwingung entspricht.Der Programm- sowie der Speicheraufwand sind bei diesem Verfahren relativ gering. Die Anwendung dieses Verfahrens führt insbesondere dann üu brauchbaren Ergebnissen, wenn dem Nutzsignal Störungen mit verhältnismäßig kleiner Amplitude und im wesentlichen konstanter Frequenz überlagert sind.

Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Mittelwert jeweils nur aus einem festen Teil der Digitalwerte in einem bestimmten Zeitabschnitt gebildet. Im oberen Teil der Fig. 5 ist die Amplitude A des durch Störungen verfälschten Heßsignals über der Zeit t aufgetragen. Der im unteren Teil der Fig. J dargestellte errechnete Mittelwert ändert sich somit nach jeder Analog-Digital-Wandlung. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich besonders bei Störungen mit verhältnismäßig großer Amplitude und relativ konstanter Frequenz, und zwar auch deshalb, weil dieses Verfahren leicht mehrfach für dieselben Meßwerte wiederholt werden kann.

In den Fig. 4a bis 4-c ist neben einem Störsignal jeweils der Unterdrückungsgrad bei einem Mittelwert aus sieben Abtastwerten pro Periode (durch ein Kreuz markiert) sowie der Unterdrückungsgrad bei einer variablen Anzahl von Mittelwerten (durch einen Kreis markiert) dargestellt. Die Abtaststellen sind jeweils durch Punkte angegeben·

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Bei der Darstellung in der Fig. 4a beträgt das Verhältnis zwischen der'Signalfrequftiis und der Abtastfrequenz 1 zu 5,2. Damit wird bei einer festen Anzahl von Mittelwerten ein Unterdrückungsgrad von 1 zu 4,3 erreicht, während bei einer variablen Anzahl von riittelwerten ein Unterdrückungsgrad von 1 zu 8 erreichbar ist.

Gemäß Fig.. 4b ist bei einem Verhältnis von Signal frequenz zu Abtastfrequenz von 1 zu 7?2 bei einer festen Anzahl von Mittelwerten ein Unterdrückungsgrad von 1 zu 30 erreichbar, während der Unterdrückungsgrad bei einer variablen Anzahl von Mittelwerten 1 zu 10 beträgt«.

Wie schließlich aus der Fig. 4c ersichtlich ist, können bei einem •Verhältnis von Signalfrequenz zu Abtastfrequenz von etwa 1 zu 9»3 bei fester Anzahl von Mittelwerten ein Unterdrückungsgrad von zu 3»3 und bei variabler Anzahl von Mittelwerten ein Unterdrückungsgrad von 1 zu 12 erreicht werden.

Durch entsprechende Kombination oder wiederholter Anwendung der einzelnen erfindungsgemäßen Verfahren kann der Unterdrückungsgrad entsprechend gesteigert werden.

Die Fig. 4a bis 4c beziehen sich auf Störungen variabler Frequenz, wobei besonders der Vorteil der variablen Summationszahl gezeigt werden soll.

Fig. 4a bis 4c zeigen, daß bei Schwingungen mit wechselnder Frequenz das Verfahren mit fester Summationsrate eine geringere Wirksamkeit besitzt als das mit variabler Summationsrate. Es sei angenommen, daß je nach Eingangsfrequenz zwischen 5»2 und 9,3 Abtastungen pro Periode stattfinden. Es wird bei dem Verfahren mit konstanter Summationsrate jeweils der Mittelwert aus den letzten 7 Messungen gebildet, der Verlauf der Mittelwerte ist mit liegenden Kreuzen dargestellt. Entspricht die

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Summationszeit etwa der Periodendauer der Schwingungen (!Pig. 4b), so ist der Unterdrückun^sgrad (Vei-häliTnis der Amplituden) am größten, da praktisch über οίκο volle Periode integriert wird. Bei abweichenden Frequenzen wird die Summe ungleich Full, so daß sich bei den Eandfrequenzen nur eine geringere Unterdrückung ergibt. (E¹Ig. 4a und 4c).

Wendet man das Verfahren mit variabler Summationsrato an, so ist die Anzahl für Fig. 4a zeitweise 5 und zaitweice 6, für Fig. 4b zeitweise 7 "und zeitweise 8 und Fig. 4c zeitweise 9 und zeitweise 10. Für Fig. 4a und 4c sind die Werte günstiger als 7? deshalb ist die Unterdrückung besser, für Fig. 4b ist der Wert 8 ungünstiger als 7» cl-^er vorher konstant war, deshalb ist die Unterdrückung schlechter.

- Patentansprüche 509844/0594

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Aufbereitung von analogen Daten, die bei Uaagen, insbesondere bei Präzisions- und Feinwaagen, als elektrische Signale gewonnen werden, in denen dem zu ermittelnden Meßwert Störsignale mit verschiedenen .Frequenzen überlagert sind, welche durch Ausfiltern aus dem Meßsignai unterdrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß verhältnismäßig hochfrequente Störkoitiponenten aus dem analogen Meßsignal ausgefiltert werden, daß anschließend das verbleibende Restsignal digitalisiert wird und daß die verhältnismäßig niederfrequenten Störkorctponenten in dem digitalen Meßsignal durch digitale Filterung eliminiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heßsignal vor dem Digitalisieren verstärkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß beim analogen Ausfiltern der hochfrequenteren Störkomponenten die Periodendauer der durchgelassenen niederfrequenteren Störkomponenten groß ist gegenüber der Zykluszeit des Analog-Digital-Wandlers.

4·. Verfahren nach Anspruch 5 ,dadurch gekennz eichnet, daß die Periodendauer wenigstens das Fünffache der Zykluszeit beträgt.

5. Verfahren nach einem, der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der digitalen Filterung aus einer vorgebbaren Anzahl von periodisch aufeinanderfolgenden Digitalwerten jeweils ein Mittelwert gebildet wird·

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert jeweils aus einer konstanten Anzahl von aufeinanderfolgenden Digitalwerten gebildet v/ird.

-7. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert jeweils aus einem festen Teil der Digitalwerte in einein bestimmten Zeitabschnitt gebildet wird«,

8.· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zur Mittelwertbildung verwendeten Digitalwerte in Abhängigkeit von der Frequenz der Störsignale gewählt und Änderungen in der Frequenz der Störsignale fortwährend angepaßt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Zeitabschnitt, in welchem Digitalwerte zur Hittelwertbildung verwendet werden, in Abhängigkeit von der Freqiienz der Störsignale gewählt und Änderungen in der Frequenz der Störsignale fortwährend angepaßt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Mindestanzahl für die zur Mittelwertbildung verwendeten Digitalwerte vorgegeben wird, welche von der Frequenz der Störsignale unabhängig ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß die digitale Filterung für dieselben Meßwerte mehrfach wiederholt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Meßwertabtastungen pro Schwingungsperiode einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl von Werten angenähert ist, über die jeweils gemittelt wird.

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Ί3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t_}
daß ein passives RC-H'ilter (1) vorgesehen ist, dem ein Analog-Digital-Wandler O) nochgeschaltet ist, und daß an den Analog-Digital-Wandler (3) ein digitales filter (Λ) angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal einer digitalen Meßwert-Verarbeitungseinrichtung (5) zufuhrbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem passiven EC-Iilter (1) und dem Analog-Digital-Wandler (3) ein Verstärker (2) vorgesehen ist.

15· Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Ermittlung der Störsignalfrequenz dienende Einrichtung vorgesehen ist, durch welche jeweils aufeinanderfolgende Maxima oder Minima im Störsignal feststellbar sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Ermittlung der Störsignalfrequenz dienende Einrichtung vorgesehen ist, durch welche jeweils aufeinanderfolgende gleichsinnige Wendepunkte im Störsignal feststellbar sind.

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