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Verfahren zum Ab gleich einer Meßwertübertragung
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und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Abgleich einer Meßwertübertragung für diskontinuierlich mit Hilfe
von Thermoelementen od. dgl. Meßwertgebern aus einem Meßobjekt, insbesondere einer
Metallschmelze, aufgenommenen und nachfolgend in einen Ubertragungsverstärker eingegebenen
und zu einer Meßwertaufnahme Ubertragenen Temperaturmeßwerten, bei welchem dem Übertragungsverstärker
vor der Messung ein vorgegebenes Prüfsignal eingegeben wird und das zugehörige Ausgangs
signal der Meßwertaufnahme mit einem Sollwert vergl-ichen wird, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfanrens.
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Insbesondere bei der Übertragung von Temperaturmeßwerten aus Metallschmelzen
hat sich die Langzeitdrift von Ubertragungselementen, insbesondere von Übertragungsverstärkern,
als schwerwiegende Fehlerursache herausgestellt. Bei solchen Messungen kommt es
auf hohe Genauigkeiten an, zumal häufig kleinere Temperaturunterschiede zwischen
verschiedenen
Verarbeitungsstufen oaer im Lauf von Arbeitsgängen genau zu ermitteln sind. Um die
sich etwa durch Alterung und Temperatureinflüsse ergebende Langzeitdrift auszuschalten,
ist bereits vorgeschlagen worden, vor den Messungen Prufsignale in die Ubertragungswege
einzugeben und hierdurch festgestellte Fehler in einem zentralen Digitalrechner
einzuspeichern, um nach einer Messung durch entsprechenden Korrekturrecnnungen berichtigte
Meßwerte zu ermitteln. Dieses Verfahren setzt allerdings einen ganz erheblichen
gerätetechnischen Aufwand-voraus, da hierzu ein geeigneter Digital rechner vorauszusetzen
ist. Ein solcher Digitalrechner eignet sich Jedoch wenig ftlr den unmittelbaren
Arbeitseinsatz an ofen u. dgl. Uberdies ist seine Verwendung erst dann gerechtfertigt,
wenn er eine sehr große Zahl unterschiedlichster Aufgaben zentral durchfAhrt~~Neben
dem Aufwand zur ein entsprechendes Gesamtsystem steht dessen Verwendung auch die
durch die Komplexität bedingte Anfälligkeit gegen Störungen, insbesondere einer
Storung im Rechner entgegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abgleich einer Meßwert
übertragung zu schaffen! welches sofort und unaufwendig durchführbar ist und zu
einer sofortigen Ausgabe abgeglichener Meßwerte führt, Aufgabe der Ertindung ist
es weiterhin, eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens
zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe zunächst, von einem Verfahren
der eingangs bezeichneten Art ausgehend, dadurch gelöst, daß das Ausgangssignal
zur Bildung eines der Meßwert aufnahme eingangsseitig zusätzlich zugeführten Abgleichaçgnals
ausgewertet wird, und daß das Ausgleichssignal bei der nachfolgenden Messung mit
Umschaltung des Übertragungsverstärkers auf den Meßwertgeber beibehalten wird. Durch
Einführung eines Ausgleichssignals, welches eingangsseitig der Meßwertaufnahme zugeführt
wird, ergibt sich eine Korrektur von Langzeitdriftfehler schon bei der Messung.
Das nachfolgend gewonnene Meßsignal steht unmittelbar zur Anzeige bzw. Aufzeichnung
zur Verfügung. Ein solches Verfahren ist mit relativ preiswert und kompakt zu erstellenden
Geräten durchführbar, insbesondere bedarf es hierzu nicht digitaler Recheneinheiten
mit programmierten Speicher- und Rechenvorgängen.
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Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Meßvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens vorgesehen mit zumindest eine Meßwertgeber, einem dem bzw. jedem
Meßwertgeber nachgeschalteten Übertragungsverstärker und einen Analog-Digital-Wandler
aufweisenden Meßwertaufnahme 5QWS e einem Prtlfsignalgenerator, dessen Prüfsignal
dem Eingang des Übertragungsverstärkers aufschaltbar zugeführt ist, ausgestaltet
durch
eine digitale Vergleicherschaltung, der das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers
bei eingangs des Übertragungsverstärkers anliegendem Prüfsignal sowie ein digitaler
Sollwert von einem Abgleichssignal-Sollwertgeber zugeführt wird, einen von der Vergleicherschaltung
gesteuerten Vor-Rückwärts zähler und einen dem Vor-Rückwärtszähler nachgeschalteten
Digital-Analog-Wandler zur Erzeugung eines Abgleichssignals, wel ches dem Eingang
des Analog-Digital-Wandlers zugeführt und auch nach Umschalten des Übertragungsverstärkers
vom Prüfsignal auf ein Meßsignal aufrechterhalten wird.
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Diese Meßvorrichtung macht sich die Möglichkeit einer hohen Signalauflösung
und Speicherbarkeit digitaler Meßwerte zu eigen. In gerätetechnischer Hinsicht kommt
dies Ausführungsform weiterhin die Möglichkeit der Nutzung von weitgehend integrierten
und hochzuverlässigen digitalen Schaltungselementen zugute, die die Erstellung von
kompakten und verläßlichen Geräten ermöglicht. Dabei ist zu beachten, daß sich bei
einer solchen Ausführungsform das Abgleichssignal in einem durch den Analog-Digital-Wandler
geregelten Signaikreis ergibt. Wenn man davon ausgeht, daß ein Analog-Digital-Wandler
fUr die hier gegebenen Meßzwecke eine hohe Genauigkeit aufweist, dann bedarf es
keiner besonderen Anforderungen an die bekanntermaßen kritische Genauigkeit der
analogen Bauteile des Prüfsignalgenerators, solange diese nur im Bereich
der
hier anzusetzenden kurzen Abgleichs- und Meßzeiten hinreichend stabil sind. Das
geregelte Abgleichssignal bleibt dann präzise erhalten.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen
werden, daß der Prüfsignalgenerator einen Stromgenerator aufweist, der in einen
dem Ubertragungsverstärker zugeordneten Widerstand bzw. in eine Reihenschaltung
von mehreren Übertragungsverstärkern einzeln zugeordneten Widerständen einen Strom
einspeist und der zur Einstellung des Prufsignals auf den Analog-Digital-Wandler
aufschaltbar ist, wobei der Vergleicherschaltung das Ausgangs signal des Analog-Digital-Wandlers
und ein Sollwert von einem Prüfsignal-Sollwertgeber zugeführt wird. Diese Ausgestaltung
erlaubt es, auch den PrUtsignalgenerator mit vergleichsweise einfachen, lediglich
hinreichend stabilen Bauelementen auszustatten, wobei die genaue Einstellung wiederum
mit Hilfe des Analog-Digital-Wandlers erfolgt. Die dem Ubertragungsverstärker bzw.
den Ubertragungsverstärkern einzeln zugeordnete Widerstände sind handelsüblich in
solchen Qualitäten erhältlich, daß sie die hier geforderten Spezifikationen hinsichtlich
Genauigkeit sowie Temperatur-und Alterungsunabhängigkeit einhalten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands
der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert ist.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematisierter Darstellung
ein Blockschaltbild für eine Meßvorrichtung.
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In dieser sind mit 1, 2 und 3 einzelne Thermoelemente bezeichnet,
deren Signal jeweils einem Ubertragungsverstärker 4, 5 bzw. 6 zugeführt und von
diesem an eine Meß wertaufnahme 7 weitergeleitet wird. Es versteht sich, daß die
Übertragungsverstärker 4, 5 und 6 beliebiger Art vorzugsweise in der Form von Chopper-Verstärkern,
sein können und neben der reinen Verstärkung eine Vielzahl von Funktionen, etwa
irgendwelcher Kompensationen oder Impedanzanpassungen haben können. Bei derartigerüVerstärkere
oder sonstigen Übertragungselementen hat sich gezeigt, daß in der Praxis insbesondere
langzeitige Fehlereinflüsse, hier als "Langzeitdrirt" bezeichnet, einen wesentlichen
Einfluß haben, auf den später noch zurückzukommen ist.
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In der Meßwertaufnahme 7 ist ein Analog-Digital-wandler 8 dazu vorgesehen,
ein ihm zugeleitetes analoges Signal hochgenau in einen Digitalwert umzusetzen.
Zum Zweck der Einzel zuführung ist eine Meßstellen-Umschalteinrichtung
üblicher
Art vorgesehen, die hier durch Meßstellen-Umschalter 9,10 und 11 wiedergegeben ist.
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Parallel zum Analog-Digital-Wandler 8 steht das Meßsignal an einer
Steuerschaltung 12 zur Überwachung des Meßablaufs und zur Weitergabe des Meßsignals
an eine Auswahllogik 13 sowie an einem Differenzierglied 14 an, welches die Einnahme
eines stationären Werts durch das Meßsignal zur Ausgabe eines Meßbefehls in die
Steuerschaltung 12 überwacht. Die zueinander parallel geschalteten Eingänge des
Analog-Digital-Wandlers 8, der Steuerschaltung 12 und des Differenzierglieds 14
sind über einen Eingangswiderstand 15 mit dem Massepotential verbunden, um den Ausgangspunkt
der Vorverstärker 4 bis 6 wieder in eine entsprechende Eingangsspannung umzusetzen.
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Der vorstehend beschriebene Teil der Schaltung bezieht sich auf die
Aufnahme und Auswertung der Meßwerte im Rahmen des eigentlichen Meßablaufs. Der
nachfolgend beschriebene Teil dient dem Ab gleich der Meßeinrichtung, um insbesondere
Langzeitdriften, stationäre Fehler u. dgl. der Übertragungsverstärker 4,5 bzw. 6,
ggf. auch sonstiger Bauglieder im übertragungsweg, abzugleichen. Zur Durchführung
des Abgleichs enthält die Meßeinrichtung eine ins gesamt mit 16 bezeichnete Abgleichsschaltung,
die in der Schaltung durch eine strichpunktierte Linie abgegrenzt dargestellt ist,
um anzudeuten, daß diese auch gesondert
bzw. nachträglich einbaubar
vorgesehen werden kann. Zum Abgleich ist ferner jedem der Übertragungsverstärker
5 und 6 ein Widerstand 17, 18 bzw. 19 zugeordnet, der jeweils über einen Eingangs-Umschalter
20, 21 bzw. 22 anstelle des zugehörigen Thermoelements 1, 2 bzw. 3 auf de Eingang
der Übertragungsverstärker 4, 5 bzw. 6 autschalt bar ist. Die Widerstände 17, 18
und 19 sind miteinander in Reihe geschaltet und werden über eine Stromschleife 23
aus der Abgleichsschaltung 16 mit einem Prüfstrom versorgt, wenn der Abgleich eines
Übertragungsverstärker durchgeführt werden soll. Zur Durchführung des Abgleichs
wird der Übertragungsverstärker mit Hilfe des zugehörigen Eingangs-Umschalters 20,
21 bzw. 22 auf den Widerstand 17, 18 bzw. 19 aufgeschaltet. Dieser Abgleich erfolgt
jedoch erst unmittelbar vor einer entsprechenden, mit Hilfe des zugehörigen Thermoelements
durchzuführenden Messung.
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In der in der Zeichnung dargestellten Ruhestellung der Meßeinrichtung
findet zunächst eine laufende Einstellung des Prüfsignais statt. Das Prüfsignal
geht von einem Stromgenerator 24 in der Abgleichschaltung 16 aus, der seinerseits
durch das Ausgangssignalieines Digital-Analo -Wandlers 25 eingestellt wird. Entsprechend
der dargestellten Ruhelage der Meßeinrichtung wird dabei das Ausgangssignal des
Stromgenerators k4 (über einen Umschalte 26 und einen weiteren Umschalter 27) dem
Eingang des
Analog-Digitat-Wandlers 8 zugeführt, wo es eine entsprecnende
Eingangsspannung am Eingangswiderstana 15 erzeugt.
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Das sicrl dann ergebende digitale Ausgangssignal des Anal Digital-Wandlers
8 geht (über eine Potentialtrennung -28) einer Vergleicherschaltung 2y zu. Der Vergleicherschaltung
29 wird andererseits ein digitaler Prüfsignal-Sollwert von einer Prüfsignal-Sollwerteingabe
30 zugeführt.
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In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs wird ein der Vergleicherschaltung
29 nachgeschalteter Vor-Rückwärtszähler 51 gesteuert, der einen Zähltakt durch einen
Takt generator 32 erhält. Der Zählstand des Vor-Rückwärtszählers 31 wird über einen
Digitalspeicher 33 dem Digital Analog-Wandler 25 zugeführt, wodurch sich der Regelkreis
für die Einstellung des Prüfsignals schließt.
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In der hier zunächst betrachteten Ruhestellung der MeS-einrichtung
findet also eine £ortlaufende Uberwachung des vom Stromgenerator 24 ausgegebenen
Prüfsignals statt.
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Langzeit-drifteinflüsse, wie sie bei einem solchen Stromgenerator
nicht grundsätzlich auszuschließen sind, erfahren eine Aus regelung mit Hilfe des
Analog-Digital-Wandlers, dessen hinreicnende Meßgenauigkeit hier vorausgesetzt wird,
und der nachgeschalteten digitalen Schaltun steile, für die bei einem ordnungsgemäß
arbeitenden System
Fenler oberhalb der Quantisierungseinheit aus
schließbar sind.
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Das so eingestellte Prüfsignal soll nun vor DurchfUhrung der eigentlichen
Messung mit Hilfe eines der Thermoelemente 1, 2 bzw. 3 (oder weiterer, in gleicher
Weise ange schlossener Thermoelemente) zur Durchführung eines Abgleichs über die
Stromschleife den Widerständen 17, 18 und 19 zugeführt werden, Ein entsprechender
MeBbefehl, ausgelöst durch die Anwahl des Thermoelements durch eine Bedienperson,
ergeht über die Steuerschaltung an eine Abgleichsteuerschaltung 34, die andererseits
auch die Ausgangssignale der Vergleicherschaltung 29 erhält.
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Liegt bereits ein Abgleich nach Feststellung der Verglei cherschaltung
vor, dann gibt die Abgleichsteuerschaltung über eine Leitung 35 einen Speicherbefehl
an den-Digital speicher 33, der den letzten Zählstand des Vor-Rückwärts zählers
speichert. Im Falle eines gerade noch laufenden Abgleichvorgangs ergeht der Speicherbefehl
über die Leitung 35 nach Abschluß des Abgleichvorgangs.
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In der Folge bleibt der Inhalt des Digitalspeichers 33, mit diesem
das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 25 und somit auch das vom Stromgenerator
24 ausgehende Prüfsignal festgelegt.
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Für den nun folgenden Abgleichvorgang werden die Umscnalter
26
und 27 betätigt (gleichzeitig wird der der jeweiligen Meßstelle zugeordnete Meßstellenumschalter
9, 10 bzw. 11 sowie zumindest der dem zugehörigen Ubertragungsverstärker 4, 5 bzw.
6 zugeordnete Eingangsumschalter 20, 21 bzw. 22 umgelegt). Hierdurch erhält der
Übertragungsverstärker ein Prüfsignal, dem Spannungsabfall am Eingangswiderstand
und dem durch den Stromgenerator 2 ausgegebenen Strom entsprechend, das er über
den Meßstel lenumschalter an den Analog-Digital-Wandler weitergibt.
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Dieser gibt nun wiederum ein entsprechendes digitales Signal an die
Vergleicherschaltung 29 weiter, der andere -seits ein Abgleichsignal-Sollwert durch
einen Abgleich signal-Sollwertgeber 36 zugeführt wird.
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Die Vergleicherschaltung 29 steuert nun wie zuvor den durch den Taktgenerator
32 versorgten Vor-RUckwãttszähler 31, dessen Zählstand über einen Digitalspeicher
3 einem Digital-Analog-Wandler 38 und in der Signalfolge dann einem Stromgenerator
39 zugeführt wird. Das Ausgang ~ signal des Stromgenerators 39 wird über den nunmehr
umge legten Umschalter 27 dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers 8 additiv zum
Ausgangs signal des jeweils aufgeschalteten Übertragungsverstärkers zugeführt. Hierdurch
schließt sich ein Regelkreis für die Einstellung des vom Stromgenerator 39 abgegebenen
Abgleichssignals.
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Es versteht sich, daß der im Abgleichsignal-Sollwertgeber 36 eingespeicherte
Sollwert so festgelegt ist, daß bei fehlerfreier Übertragung vom Ubertragungsverstärker
4, 5 bzw. 6 der vom Analog-Digital-Wandler ausgegebene "Istwert" mit dem Sollwert
übereinstimmt, so daß kein zusätzliches Abgleichssignal vom Stromgenerator 39 ausgegeben
wird. Fehler in der Übertragung zwischen dem Eingang des jeweiligen Übertragungsverstärkers
und dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers 8 werden jedoch durch ein entsprechendes
Abgleichssignal kompensier In jedem Fall wird wieder durchd1e>chssteuenschaitung
34 festgestellt, wann ein Abgleich gefunden wird.
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(was bei derartigen elektronischen Schaltungen in extrem kurzer Zeit
möglich ist). Wenn der Abgleich vorliegt, gibt die Abgleich-SteuersAhaltung 34 über
eine Leitung 40 einen Speicherbefehl an den Digitalspeicher 37 aus, w -durch das
Abgleichssignal mit Festlegung des dem Digital Analog-Wandler 38 und nachfolgend
dem Stromgenerator 39 zugeführten Signals arretiert ist.
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Hiernach ist die Meßeinrichtung hinsichtlich des zur anstehenden Messung
vorgesehenen Thermoelements 1, 2 bzw. 3 meßbereit, wozu lediglich noch der jeweilige
oder alle der Eingangsumschalter 20, 21 und 22 vom Widerstand 17, 18 bzw. 19 und
das Thermoelement 1, 2 bzw. 3 umgeleg
zu werden brauchen,um die
Messung durchzuführen. Bei der Messung bleibt das zum Eingang des Analog-Digital-Wandlers
8 hin eingespeiste Abgleichssignal erhalten und kompensiert etwa festgestellte Driftfehler
des Obertragungsverstärkers.
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Bei hier besonders interessierenden Tauchtemperatur-Meßgeräten erfolgt
die Messung durch Eintauchen der durch eine Umhüllung geschützten Thermoelemente
in die Metallschmelze, wobei sich ein besonderer Einschwingvorgang ergibt. Der Einlauf
des gewonnenen Meßwerts in seinen stationären Wert wird dann durch das Differenzierglied
14 und die Steuerschaltung 12 überwacht. Die Steuerschaltung 12 gibt zur Durchführung
bzw. zum Abschluß der Messung entsprechende Steuerbefehle an die Auswahlschaltung
20 bzw. an die Abgleichssteuerschaltung 34 aus, um einerseits die gewünschten Anzeige-,
Aufzeichnungs- undloder Speichervorgänge zu steuern, andererseits aber auch nachher
die Abgleichsschaltung in ihren Ruhezustand zurückzuversetzen, in dem diese die
laufende Regelung des Prüfsignals durchführt.
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Anzumerken bleibt noch, daß die Abgleichssteuerschaltung 4 ein Sperrsignal
für das Differenzierglied 14 vorsieht, um ein Speichern des anstehenden Digitalwertes
während des Abgleichs zu vermeiden und ferner ein Steuersignal für eine Sperrschaltung
41
bereitstellt, mit Hilfe derer eine Ausblendung von Anzei gen
für nicht interessierende Abgleichsvorgänge bzw.
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eine Anzeige bei erfolgtem Abgleich möglich ist. Um im Falle der Anzeige
von Prüf- undSoder AbgieichssigreJen ein mögichst ruhige Anzeige zu erhalten, wird
diese vorzugsweise mit geringerer Auflösung ausgegeben, etwa mit Unter ~ drückung
der beiden kleinstwertigen Bits der vom Analog-Digital-Wandler 8 ausgegebenen Digitalwerte.
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Die vorstehend beschriebene Meßeinrichtung erlaubt eine schnelle und
zuverlässige Kompensation der besonders schwerwiegenden und bislang unvermeidlichen
Drift fehler der VbertragungsverstErker. Die dabei vorzusehenden zusätzlichen Schaltungsteile
sind weitestgehend handelsübliche Bauelemente hoher Zuverlässigkeit und geringer
-Baugröße. Die hier vorgesehene Abgleichsschaltung läßt sich ohne Schwierigkeiten
bestehenden Meßeinrichtungen hinzufügen, wobei sich praktisch keine Komplizierung
der Handhabung ergibt. Dabei kann das Abgleichverfahren wie auch die beschriebene
oder eine ähnliche Vorrichtung durchaus auf anderen Meßgebieten, außerhalb der Temperaturmessung
bei Metallschmelzen, Anwendung finden.
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