DE2437438C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Genauigkeit analoger Meßvorgänge bei Registrierung mittels digitaler Systeme - Google Patents

Description

In den letzten Jahren wurden in immer stärkerem Maße digitale Verfahren zur Speicherung kurzzeitig ablaufender analoger Meßsignale eingesetzt. Gegenüber einer rein analogen Registrierung des Meßsignals wurde dadurch die Meügenauigkeit wesentlich gesteigert.

Diese durch die Digitaltechnik erzielbare Genauigkeitssteigerung kann sich hierbei naturgemäß nur auf die digitalen Systeme der Meßkette, d. h. Datenspeicherung und digitale Weiterverarbeitung, erstrecken. Die Signalaufbereitung erfolgt nach wie vor mit analogen S>stemen (Meßwertaufnehmer, Verstärker od. a). Dabei bereitet es oft Schwierigkeiten, die Langzeitstabilitat und Reproduzierbarkeit so zu steigern, daß ihre Genauigkeit der des nachgeschalteten Digitalsystems etwa entspricht.

Da besonders in der Kurzzeit-Meßtcchnik immer höhere Forderungen an die MeL'genauigkeit gestellt werden, wurde ein neues Verfahren zur Messung einmalig auftretender Vorgänge konzipiert, das unter Erhallung der vollen vom Digitalsystem gebotenen Genauigkeit die Verwendung von einfachen, leicht bedienbaren Analogsystemen erlaubt. Es beruht darauf, daß zwei oder mehrere genau bekannte, der physikalischen Meßgeräte zugeordnete Analogwerte dem Eingang der Meßkette nacheinander zugeführt werden. Die daraus resultierenden Digitalwerte am Ende der Meßkette werden dann getrennt abgespeichert und bilden definierte Bezugswerte für die Kalibrierung des gesamten Meßbystems vom Meßwertaufnehmer bis zur Datenausgabe, die für die gesamte Dauer der Meßwertverarbeitung zur Verfugung stehen.

Es ist für rein analoge Meßsysteme bereits bekannt, an den Eingang der Meßkette definierte Gleich- oder Wechselspannungen anzulegen, die zur manuellen Einstellung der gewünschten Übertragungseigenschaften der analogen Meßkette dienen. Diese Werte stehen dabei nur während des Einstellvorganges zur Verfügung.

Bei der analogen Ein- und Ausgabe von Meßdaten gehen aber alle Fehler, die im Zusammenhang mit der Signalerzeugung und -aufbereitung stehen, wie TemperaturHrift der Nullage und Verstärkung, Abhängigkeit von Versorgungsspannungen, Nichtlinearitäten und Einstellungsfehler in voller Höhe in die Meßgenauigkeit des Gesamtsystems ein.

Diese Fehler lassen sich weitgehend reduzieren, wenn vor jeder Messung eine Kalibrierung der gesamten Analogkette vorgenommen wird. Dies kann z. B. so geschehen, daß am Eingang der Meßkette eine genau bekannte Bezugsspannung angelegt wird, die am Ausgang der Analogkette, d. h. am Eingang des A/D-Wandlers, gemessen wird. Damit liegen die statischen Übertragungseigenschaften der Analogkette in einem Punkt fest. Zur Kalibrierung der Verstärkung ist die Festlegung eines weiteren Punktes in der Übertragungskennlinie erforderlich. Sollen auch Übertragungseigenschaften höherer Ordnung wie z. B. Nichtlinearitäten erfaßt werden, so wären noch mehr Kalibrier-

punkte erforderlich.

Erfindiingsgemäß werden jin Eingang der anfingen Mcßkette in unmittelbarem zeitlichen Zusammenhang mit dem Meßvorgang nacheinander mindestens zwei genau bekannte Kalibrierwerte angelegt und über die <■ Meßkelle dem Digitalsystem zugeführt und dort in digitaler Form gespeichert

Diese gespeicherten Werte stehen beliebig Linie, auch über die Dauer des MeLUt,rganges hinaus zur Verfugung. Sie bieten eine genaue Kennzeichnung der ,,> Übertragungseigenschaften der analogen M..-ßkette und damit eine eindeutige Zuordnune definierter ph\sikaiischer Werte zu den beim Meß\organg gespeicherten Digiuilz.ahlen. Sie können auch für eine automatische Pegeleinstellung (Datenumkodierung) beim Aus- ;< gabevorgung der gespeicherten Daten benutz; werden. Durch diese Dokumentation der Übertragunüseigenschaften wird die Einstellung der gesamten analogen Meßkene weitgehend unkritisch.

Der gesamte Vorgang der Kalibrierung und des da- ;o mit verbundenen Abgleichs der Datenausgabe laßt sich weitgehend automatisieren, so daß die erzielte Genauigkeitssteigerung ohne zusätzlichen Mehraufwand zu erreichen ist.

[■!in derartiges digitales Speichersystem, wie es z. B. :- in den sogenannten Transientenrecordern verwendet wird, sei zum besseren Verständnis der Erfindung grundsätzlich beschrieben

Es handelt sich hierbei um eine Vorrichtung, die es gestattet, analoge Meßwerte in digitalen Systemen zu v-> speichern Sie besteht aus einem Analog-Digital-Wandler, einem Digitalspeicher und einem nachfolgenden Digital-Analog-Wandler. Nach dem Einspeicherungsvorgang der Meßwerte können diese sofort über einen A-K-Schreiber bzw. einen Plotter als analoge Kurven τ ausgegeben werden Die Ausgabegeschwindigkeil hat keinerlei Beziehung zur Einspeichergeschwindigkeit; sie kann den Eigenschaften des Schreibers bzw. Plotters angepaßt werden.

Gegenüber rein analogen Meßsystemen kann durch die Digitalisierung eine betrachtliche Genauigkeitssteigerung bei der Datenspeicherung erreicht werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es. die Genauigkeussteigerung auch auf die dem Digitalspeicher vor- und nachgeschalteten Analogketten (Meßwertaufnehmer, Verstarker, Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler, Schreiber od. ä. auszudehnen.

Die festgestellten Übertragungseigenschaften der analogen Meßkette können zur genauen Auswertung bzw. zur Korrektur der gewonnenen Meßergebnisse verwendet werden, wobei vorausgesetzt wird, daß die Übertragungseigenschaften in der Zeit zwischen der Kalibrierung und dem Meßvorgang sich nicht ändern.

Eine gesonderte Messung der Kaiibrierwerte am Eingang eines A/D-Wandlers kann entfallen, da der A/D-Wandler im Rahmen seiner Auflösung ohnehin an seinem Ausgang eine seiner Eingansspannung ;ntsprechende Digitalzahl liefert. Diese kann entweder zur Anzeige gebracht und als Bezugsgröße für die Kalibrierung notiert werden, oder aber — was zweckmäßiger ist — in einem gesonderten Register abgespeichert werden, von wo sie für eine spätere Verwendung jederzeit abgerufen werden kann.

Verzichtet man darauf, bei der Kalibrierung Linearitätsfehler zu erfassen, so sind zwei Kalibrierwerte /i"- '<" Charakterisierung der statischen Übertragungskc;,,,linie ausreichend.

Die Eingabe der Kalibrierwerte kann am einfachsten .iK elektrische Zustandsänderung (Spannung. Wider stand. Ladung. Strom usw.) am Ausgang des MeÜwvri-.uii'ichnicrs erfolgen Dane, werden allerdings die Eigenschaften de- Meßwertaufnehmers selbst nicht er- !.lUt. Wenn irgend möglich, sollten daher die Kalibriei·- >■■. erte in Form der physikalischen Meßgröße am Hingang des Meßuenaufnehmer» eingegeben werden.

Wird zur Verarbeitung der digitalisierten Analog Daten em Computer verwendet, *o können die KaIibrierwcne auch diesem zugeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Eingabe und Speicherung zweier Kaiibrierwerte ist in F i g. 1 dargestellt. LJm hier das ßlockbild leichter verstandlich zn machen, wurde auf die Einführung von Bezugszcicher verzichtet und die Funktion der einzelnen Blocke in Stichworten gekennzeichnet. Die beiden Kalibrier werte müssen nacheinander gespeichert werden, nachdem eine entsprechende Zustandsänderung am Hifi gang der Meßkette vorgenommen wurde. Zweckmäßig erfolgt die Eingabe so. J.ai :ier cmc Kalibrieren den unbelasteten Zustund des Messwertaufnehmer^ (Null-Lige). der andere die tu er-.· arunde Meiinmplnude (Vollaiissehlag) darstellt. Wie schon erwähnt, müssen, wenn auch Lineariiatsfehler mit erfaßt werden sollen. mehr als zwei Kaiibrierwerte eingegeben und getrennt abgespeichert werden. Damit die Kalibrierung durch eventuell vorhandene StörwechseKp.innungen (Netzbrumm. Tra'gcrfrequenzreste od. ä.) nicht beeinflußt wird, sollte jeder Kalibrierwert nicht nur einmal digitalisiert werden, sondern innerhalb einer gewissen Zeitspanne eine größere -\nzah! von Digitalisieningen vor genommen werden. Aus den so erhaltenen Werten wird der arithmetische Mittelwert gebildet und dieser in entsprechenden Registern Λ und B abgespeichert, wo er für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung steht In einer ausgeführten Schaltung werden ζ. Β je Kalibrierwert 2048 Digitalwcrte zu je 10 bit innerhalb einer Zeitspanne von etwa 100 ms gebildet.

Die beiden in den Registern A und B gespeicherten Digitalwerte repräsentieren zwei genau definierte Zustände am Eingang der analogen Meßkene. Sowohl die NulLige als auch die Verstärkung der analogen Meßkette sind dadurch eindeutig erfaßt. Die vorhergegang· ien Einstellungen sowohl der Verstärkung als auch der Nullage der analogen Meßketten brauchen deshalb nicht genau reproduzierbar zu sein. Der Verwendung einfacher und billiger Verstärker, die nur eine ungefähre Einstellung der Nullage und Verstärkung erlauben, steht nichts im Wege. Sie müssen lediglich innerhalb der kurzen Zeit zwischen Kalibrierung und Ende der Messung genügend stabil sein.

Die Eingabe der Kalibrierwerte läßt sich weitgehend automatisieren und damit die Bedienung stark vereinfachen.

Mit Hilfe der beiden durch den Kalibriervorgang erhaltenen Digitalwerte, die in den Registern A und R (F 1 g. 1) abgespeichert sind, läßt sich ein automatischer Abgleich des Ausgangskanals verwirklichen. Ein Ausführungsbeispiel einer hierzu verwendeten Anordnung ist im Blockschaltbild F i g. 2 dargestellt.

Ein von einer Steuerelektronik ! beeinflußter Umschalter 2 schaltet nacheinander die Registerinhalte A und B sowie die vom Speicher kommenden Daten au! einen Digital-Analog-Wandler für Daten 3. Daraus er

¹Cn sich drei Phasen des Abgleich- bzw. Wiedergabevorgangs, die im folgenden beschrieben werden.

Nachdem der Ausgabevorgang gestartet wurde, wird von der Steuerelektronik 1 der Ditnialumschalter 2 so

J I tJO

adressiert, daß der Ausgang des Registers A (Nullage) mit dem Eingang des D/A-Wand!ers (Daten) 3 verbunden ist. Die daraus resultierende Analogspannung erscheint an dem Plus-Eingang eines DifferenzverstärkerS 4. Gleichzeitig werden von der Steuerelektronik 1 Taktimpulse über eine Leitung 5 an einen Binärzähler 6 geliefert. Dessen Zählablauf wird über einen weiteren D/A-Wandler (Vorspannung) 7 in einen treppfenförmigen Spannungsverlauf verwandelt und über eine Leitung 8 dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers 4 zugeführt.

Da die Verstärkung eines digital programmierbaren dem Verstärker 4 nachgeschalteten Verstärkers 9 während dieser Phase des Abgleichs unverändert bleibt, gelangt die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 unbeeinflußt an die Plus-Eingänge zweier Komparatoren A und B. Im Komparator A wird diese Spannung mit Null (Massenpolential) verglichen. Ist die Treppenspannung desD/A-Wandlers (Vorspannung) 7 soweit angestiegen, daß die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 zu Null wird, so liefert der Komparator A über die Leitung 10 ein Signal, das über die Steuerelektronik 1 den Takt für den Binärzähler 6 stoppt. Damit ist der Abgleichvorgang für die Nullage abgeschlossen. Es ist jetzt gewährleistet, daß jedes Digitalwort der vom Speicher ankommenden Daten, welches dem im Register A gespeicherten entspricht, am V'-Ausgang eine Spannung von 0 Volt hervorruft.

Nach dem Abgleich der Nullage schaltet die Steuerelektronik 1 den Digitalumschalter 2 automatisch auf das Register B (Vollausschlag). Dadurch gelangt der während des Kalibriervorgangs hier eingespeicherte Digitalwert an den Eingang des D/A-Wandlers (Daten) 3. Dessen Ausgangsspannung wird wiederum üoer den Differenzverstärker 4 dem digital programmierbaren Verstärker 9 zugeführt. Gleichzeitig liefert die Steuerelektronik 1 über eine Leitung 11 ein Taktsignal an einen zweiten Binärzähler 12. Dessen Zählablauf verändert die Verstärkung und damit die Ausgangsspannung des digital programmierbaren Verstärkers 9 treppenförmig. Bei Spannungsgleichheit zwischen der Ausgangsspannung und der geräteinternen Referenzspannung spricht der Komparator B an und stoppt über der Leitung 13 und die Steuerelektronik 1 den Takt für den Binärzähler 12. Damit ist der automatische Abgleichvorgang für den Vollausschlag beendet. Es ist jetzt gewährleistet, daß jedes vom Speicher ankommende Digitalwort, welches dem im Register B abgespeicherten entspricht, am V-Ausgang immer eine Spannung liefert, die der verwendeten Referenzspannung gleich ist.

Dieselbe Referenzspannung kann zum V-Abgleich eines X- V-Schreibers herangezogen werden. In diesem Falle erstreckt sich die Kalibrierung vom Eingang der Meßkette bis zum Ausschlag des Schreibers und schließt alle dazwischenliegenden Glieder ein.

Nach dem Abgleich des Vollausschlags schaltet die Steuerelektronik 1 den Digitalumschalter 2 automatisch auf den Dateneingang. Die vom Speicher ankommenden Daten passieren den D/A-Wandler (Daten) 3, den entsprechend der einkalibrierten Nullage abgeglichenen Differenzverstärker 4 und den entsprechend dem einkalibrierten Vollausschlag digitalprogrammierten Verstärker 9 und gelangen an den V-Eingang eines X- V-Schreibers. Selbstverständlich bleiben während des Wiedergabevorganges die Zählzustände der Binärzähler 6 und 12 und damit der Abgleich des Wiedergabesystems erhalten.

Bei dem hier beschriebenen Vorgehen erfolgt eine Umformung der Meßdaten im analogen Teil der Datenausgabe (durch Null-Verschiebung im Differenz-Verstärker 4 und Verstärkungsänderung im programmierbaren Verstärker 9). Bei einer rein digitalen Weiterverarbeitung der Meßdaten müssen diese durch ein Rechenprogramm so umkodiert werden, daß die Datenausgabe den gewünschten Bezug zu den eingegebenen Kalibrierwerten erhält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   t. Verfahren /ur Genauigkeiissteigerung analoger Meßvorgänge bei Registrierung mitiels digitaler Systeme, bei dem an den Eingang einer analogen Meßkette nacheinander mindestens zwei Analogsignale zur Kalibrierung angelegt werden, d a durch gekennzeichnet, daß die Kalibrierwerte ohne Rücksicht auf die Übertragungseigenschaften der gesamten Meßkette angelegt und in Registern (A, B) digital mindestens für die Dauer der gesamten Messung gespeichert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Kalibrierwert innerhalb einer festgelegten Zeitspanne eine Vielzahl von Digitalisierungen vorgenommen und daraus der arithmetische Mittelwert gebildet und gespeichert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalisierten Meßdaten entsprechend den Pegeldifferenzen der eingespeicherten Kalibrierwerte derart umkodiert werden, daß die Ausgabe in einem vorgewählten Maßstab erfolgt.
4. 4. Vorrichtung zur Auswertung der gemäß dem Verfahren nach Anspruch t oder folgenden gewonnenen Kaltbrierwerte. dadurch gekennzeichnet, daß von einer Steuerelektronik (1) ein Digitalumschalter (2) so adressiert wird, daß der Ausgang des Registers 4 (für Nullage) mit dem Eingang eines D/A Wandlers (Daten) (3) verbunden ist und die daraus resultierende Analogspannung am Plus-Eingang eines Differenzverstärkers (4) erscheint, wahrend gleichzeitig von der Steuerelektronik (1) Taktimpulse über eine Leitung (5) an einen Binarzähler (6) geliefert werden, dessen Zählablauf über einen D/A-Wandler (Vorspannung) (7) in einen treppenförmigen Spannungsverlauf verwandelt und über eine Leitung (8) dem Minus· Eingang des Differenzverstärkers (4) zugeführt wird und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (4) über einen in dieser Abgleicr.phase in seiner Verstärkung unveiändert bleibenden digital programmierbaren Verstärker (9) an die Plus-Eingänge zweier Komparatoren 4 und B gelangt und im Komparator A' diese Spannung mit dem Potential Null verglichen wird und in dem Augenblick, in dem die Treppenspannung des D/A-Wandlers (7) soweit angestiegen ist. daß die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (4) zu Null wird, vom Komparator 4 über eine Leitung (10) über die Steuerelektronik (1) ein Signal gegeben wird, das den Takt für Binärzähler (6) stoppt und daß nach dem damit erfolgten Null-Abgleich die Steuerelektronik (1) den Digitalumschalter (2) auf den Ausgang des Registers B (Vollaus· schlag) umschaltet und in gleicher Weise die Aus gangsspannung über den Differenzverstärker (4) dem digita¹ programmierbaren Verstärker (9) zuführt und gleichzeitig über eine Leitung (31) Taktimpulse an einem Binärzähler (12) liefert, dessen Zählzustand die Verstärkung des digital programmierbaren Verstärkers (9) soweit verändert, bis bei Spannungsgleichheit mit einer geräteinternen Referenzspannung der Komparator B anspricht und den Takt für den Binärzähler (12) stoppt und daß nach dem hiermit erfolgten Abgleich für Vollausschlag die Steuerelektronik (1) automatisch auf den Dateneingang umschaltet.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Referenzspannungen für Nuilage und Vollausschlag gleich/eilig zum Hinstellen der Nuliuge und der Empfindlichkeit eines Λ-V-Schreibers benutzt «.-erden.