DE3327263A1

DE3327263A1 - Messsystem mit verbesserter zuverlaessigkeit

Info

Publication number: DE3327263A1
Application number: DE19833327263
Authority: DE
Inventors: Shinichi Tokyo Fujitani
Original assignee: Nippon Business Consultant Co Ltd
Current assignee: Hitachi Information Systems Ltd
Priority date: 1982-08-02
Filing date: 1983-07-28
Publication date: 1984-02-02
Also published as: CA1205196A; US4580234A; FR2531229B1; GB8320232D0; FR2531229A1; GB2125545B; GB2125545A; DE3327263C2

Description

O O L I L· U

NIPPON BUSINESS CONSULTANT CO., LTD. Tokyo / JAPAN
5

Meßsystem mit verbesserter Zuverlässigkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Meßsystems, das auch gewisse Fehler im Meßsystem zulassen kann. Speziell wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zuverlässigkeit von Meßsystemen für zahlreiche physikalische Größen erhöht, und es wird die Toleranz des Meßsystems gegen Fehlfunktion gesteigert, indem dem Meßsystem eine nicht mehr reduzierbare kleine Zahl von zusätzlichen Elementen hinzugefügt wird.

Zahlreiche industriell angewandte Systeme benötigen als Hilfssysteme zu ihren Meßsystemen, mit denen verschiedene physikalische Größen wie Temperatur oder Druck gemessen werden, Zusatzeinrichtungen, und die gemessenen Systeme werden dann in einen Rechner eingegeben. Eine Darstellung in der Fig. 1 zeigt das Konzept eines derartigen Meßsystems. Dieses Meßsystem 3 wird zwischen einen zu messenden Vorgang 4 und einen Rechner 5 eingefügt. Es setzt sich aus einer Sensoreinheit 1 für die Umwandlung einer zu messenden physikalischen Größe in einen analogen Wert 7, der eine Spannung sein kann, und einem Datenerzeugungssystem

(z.B. ein A/D-Wandler) 2 zusammen, von dem der gemessene Wert 8 dann in den Rechner 5 eingeführt wird. Wenn zwisehen dem Meßvorgang 4 und dem Rechner 5 eine größere Entfernung besteht, wirkt das Datenumsetζsystem 2 als Hilfssystem auch zur übertragung des Sensorausgangs.

Tritt in dem Meßsystem 3 ein Fehler auf, wird dessen gesamte Funktion unnormal. Um die Zuverlässigkeit des industriellen Produktionssystems zu erhöhen, ist die Forderung zu stellen, daß das Meßsystem 3 als Hilfssystem des industriellen Vorgangs äußerst zuverlässig arbeitet. Sehr wesentlich ist es deshalb, daß das Meß-• 15 system in irgendeiner Weise gewisse Fehler zulassen kann und es wenigstens nach außen hin noch korrekt arbeitet, auch wenn in einem Teil des Meßsystems 3 ein Fehler auftritt.

Damit im Meßsystem Fehlfunktionen zugelassen werden können, ist es im allgemeinen nötig, daß das "Verfahren, mit dem dem System Redundanz erteilt wird", mit einem "Verfahren zur Ausbesserung des Fehlers" verbunden wird, welches in die Lage versetzt, den Fehler zu ermitteln, ihn zu erkennen, zu isolieren und die Fehlfunktion zu beseitigen, indem das redundante Signal in bestimmter Weise verarbeitet wird.

Allgemeine Anerkennung für den Zweck, ein Meßsystem von Fehlfunktionen unabhängig zu machen, hat das TMR-(triple modular redundancy)-Verfahren gefunden. Bei diesem Verfahren werden die Sensoren und die übrigen Komponenten, die für die Handhabung der einzelnen zu messenden physikalischen Größen benötigt werden, dreifach vorgesehen. Damit zusätzlich die Fehlfunktion wieder beseitigt werden kann, wird eine logische Majoritätsentscheidung über die drei gemessenen Werte herbeigeführt. Wenn

r physikalische Größen zu messen sind, werden bei diesem Verfahren 3r Sensoren benötigt. Es ist also die dreifache Anzahl von Hardware-Komponenten erforderlich. Dadurch wird das Meßsystem sehr raumaufwendig und schwer, und die Kosten für die Einrichtung steigen proportional.

■Lg Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem zu schaffen, für das durch die geringstmögliche Hinzufügung von Systemteilen und damit verbundenen Mehrkosten die erforderliche Zuverlässigkeit erreicht wird, so daß die den herkömmlichen Meßsystemen anhaf-

-^5 tenden Mängel wegfallen.

Des weiteren soll mit der Erfindung ein Meßsystem geschaffen werden, bei dem einfach durch Hinzufügen von wenigstens einem redundanten Element die gewünschte 2Q Zuverlässigkeitssteigerung des gesamten Meßsystems einschließlich der Sensoreinheiten erreicht wird.

Darüber hinaus soll mit der Erfindung ein Verfahren geschaffen werden, welches durch Ergänzung von mehreren oc redundanten Elementen zu einem Meßsystem das gesamte Meßsystem einschließlich der Sensoreinheiten unanfällig für Fehlfunktionen macht.

Um die vorstehend aufgeführten Ziele zu erreichen und _q Aufgaben zu lösen, wird ein Verfahren geschaffen, das in einem Meßsystem, das zum Messen zahlreicher physikalischer Größen geeignet ist und die Meßwerte einem Computer zuführt, dem Meßsystem eine erhöhte Zuverlässigkeit verleiht und es auch unanfällig gegen Fehlfunk-_O(-tionen macht, indem dem Meßsystem gesondert wenigstens ein Prüfsignalgenerator zugefügt wird, der ein Prüfsignal erzeugt, das eine lineare Korabination von Funktional-

werten der Größen der erwähnten physikalischen Größen ist, wobei das Prüfsignal parallel zu den bereits genannten Meßwerten dem Rechner zugeführt wird.

Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 das Konezpt eines herkömmlichen Meßsystems; 10

Fig. 2 das Meßprinzip eines bekannten optischen Stromwandlers ;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des bekannten Faraday-Effekts;

Fig. 4 den Grundaufbau eines herkömmlichen optischen Stromwandlers;

Fig. 5 das Konzept eines herkömmlichen Systems zum

Messen von elektrischem Strom in einer Energieübertragungsleitung;

Fig. 6 das System nach Fig. 5 auf der Datenflußseite;

Fig. 7 die Darstellung des Konzepts eines Prüfsignalgenerators für die Verwendung bei der Erfindung ;

Fig. 8 ein Blockschaltbild des Grundaufbaus eines

für die Zwecke der Erfindung geeigneten Prüfsignalgenerators;

Fig. 9 in perspektivischer Darstellung einen Meßaufbau, bei dem die Schaltung der Fig. 8 durch

ein optisches Meßsystem ersetzt ist;

Fig. 10. das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels

der Erfindung;
5

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der

Fehlerorterkennung gemäß der Erfindung;

Fig. 12 ein Flußdiagramm, mit dem der Ablauf der Fehlerorterkennung im erfindungsgemäßen Aus

führungsbeispiel erläutert wird;

Fig. 13 ein Flußdiagramm eines Rechnerprogramms, das

auf den Ablauf nach Fig. 12 folgt, um die korrekten Größenwerte x- bis X₃ des Stroms in

der Energieübertragungsleitung zu bekommen;

Fig. 14 das Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 15 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Blockschaltbilddarstellung;

Fig. 16 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 17 das Schaltbild des Grundaufbaus eines herkömmlichen Mehrpunkt-Temperaturmeßsystems mit Thermowiderstands-Temperaturfühlern;

Fig. 18 den Grundaufbau eines Prüfsignalgenerators

und eines in Zusammenhang damit verwendeten Thermowiderstands bei ihrer Verwendung in der Erfindung;

Fig. 19 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 20 den Grundaufbau eines Prüfsignalgenerators, mit dessen Einsatz lediglich in erfindungsgemäßer Weise das Datenaufnahmesystem gegenüber

Fehlfunktionen unabhängig gemacht werden soll;

Fig. 21 ein Diagramm, das die Auswirkung der Erfindung

auf die erhöhte Zuverlässigkeit zeigt; 10

Fig. 22 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Blockdiagrammdarstellung.

Der Bedarf an elektrischer Energie ist mit steigender Industrialisierung ständig gestiegen. Das hat nun dazu geführt, daß Höchstspannungs-Energieübertragungsleitungen mit Spannungen von 500 bis 1000 kV allgemein Anwendung finden. Das Messen der über diese Höchstspannungsleitungen fließenden Ströme mittels Stromwandlern, nämlieh elektromagnetischen Stromwandlern, wie sie bisher allgemein verwendet wurden, erweist sich wegen der kaum mehr möglichen Isolierung dieser Geräte gegen die äußerst hohe Spannung als nicht mehr möglich.

In diesem Zusammenhang wurde ein optischer Stromwandler für die Strommessung entwickelt, der einen Sensor aus einer optischen Faser verwendet und bei hoher Isolationsfähigkeit geringe Verluste aufweist, so daß damit das Messen der Ströme bei Höchstspannungen möglich wird.

In der Fig. 2 ist das Meßprinzip des optischen Stromwandlers dargestellt, über eine Leitung 9 fließt ein Strom I und erzeugt dabei um den Leiter 9 herum ein Magnetfeld. Die Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke vom Abstandsradius zum Leiter ist folgende:

H = I / 2 7c R ...(1)

OUi. / L. KJ \J

Wird die magnetische Feldstärke H gemessen, dann kann nach der obigen Gleichung der Strom I berechnet werden. Der optische Stromwandler macht bei der Messung der magnetischen Feldstärke H vom Faraday¹sehen Effekt Gebrauch .

Unter dem Faraday'sehen Effekt versteht man die Erscheinung, wonach linear polarisiertes Licht, das durch einen transparenten Körper 12 wie Glas (nachfolgend als "Faradayrotator" bezeichnet) im Magnetfeld 15 parallel zur Richtung des Magnetfeldes hindurchtritt, in seiner Polarisationsebene gedreht wird. Der Verdrehungswinkel θ ist direkt proportional der Länge L des Faradayrotators 12 und der magnetischen Feldstärke H des Magnetfeldes 15, so daß folgende Gleichung gilt:

θ = V_e H L ... (2)

Die Proportionalkonstante V wird "Verdetkonstante" genannt und ist durch das Material des Faradayrotators bestimmt. In der Fig. 3 sind mit 10 eine Lichtquelle, mit 11 ein Polarisator, mit 13 ein Detektor und mit 16 der ausgangsseitige Lichtstrom bezeichnet.

In Fig. 4 ist in Blockbildform der Grundaufbau des bekannten optischen Stromwandlers dargestellt. Ein Strahl von einer Laserlichtquelle 20 wird durch den Polarisator 11 linear polarisiert und über eine Linse 19A in eine optische Faser 17 eingeführt. Die optische Faser 17 ist um die Energieübertragungsleitung 9 in einigen zehn Windungen herumgewickelt und bildet den Faradayrotator. Der aus der optischen Faser 17 austretende Lichtstrahl wird über eine Linse 19 B und den Detektor 13 einem Verstärker-Wandler 21 zugeführt. Die beschriebene Einrichtung stellt das in der Fig. 3 gezeigte optische Meßsystem dar.

Wenn die optische Faser 17 in N-Windungen um die Energieübertragungsleitung 7 herumgewickelt ist, so beträgt die Länge L der um die Leitung gewickelten optischen Faser oder die Länge des Faradayrotators

L = 2 ~r R · N ... (3)

Aus den Gleichungen (1) und (2) in Verbindung mit Gleichung (3) kann damit der Drehwinkel θ nach folgender Gleichung (4) berechnet werden

Da der Drehwinkel θ der Polarisationsebene aus der Stärke des durch den Detektor 1.3 hindurchtretenden Lichtes bestimmt werden kann, läßt sich der Strom I aus der Gleichung (4) bestimmen.

In der Fig. 5 ist das Konzept für die Messung von elektrischem Strom in einer Energieübertragungsleitung unter Verwendung optischer Wandler dargestellt. Die durch die drei Leiter 91 bis 93 fließenden Ströme werden mit Hilfe der drei optischen Wandler 23 bis 25 aufgenommen, und die Meßwerte werden einem Datenerstellungssystem 2 zugeführt. In der Fig. 6 ist dazu ein Bild des Datenflusses gegeben. Die Ströme X₁ bis X₃ werden von den Sensoren 33 bis 35 erfaßt, die jeweils einen optischen

gO Wandler enthalten. Die gemessenen Analogwerte der Ströme werden dann dem Datenerstellungssystem 2 eingegeben, und entsprechend in Digitalsignale y.. , y₂ und y₃ umgewandelte Daten gelangen dann in den Rechner 5. Da die Ströme eines Höchstspannungssystems kaum anders als mit Licht gemessen werden können, besteht großer Bedarf nach der Entwicklung eines Meßsystems, das optische Wandler einsetzt. Dieses Meßsystem liegt noch nicht

vollständig in Form einer praktikablen Vorrichtung vor, weil die optischen Wandler, die als Sensor eingesetzt sind, bisher noch nicht hinreichend zuverlässig arbeiten. Arbeiten auf diesem Gebiet streben eine erhöhte Zuverlässigkeit der optischen Wandler als Einheitselemente an, doch gleichzeitig wird an der Entwicklung eines Verfahrens gearbeitet, das die Koordinierung sämtlicher Komponenten, aus denen das Meßsystem besteht, verbessert und damit die Zuverlässigkeit des Meßsystems als Ganzes erhöht, nämlich eines Verfahrens, das einfach durch Hinzufügen einer nicht mehr zu verringernden kleinsten Zahl redundanter Elemente das Auftreten von Fehlern im Meßsystem erlaubt.

Es soll nun ein Strommeßsystem gemäß der Erfindung beschrieben werden, bei dem optische Stromwandler, wie in Fig. 5 gezeigt, eingesetzt werden.

Fig. 7 zeigt in Blockform das Konzept eines Prüfsignalgenerators, der ein wesentliches Element der Erfindung bildet. Der Prüfsignalgenerator 26 ist ein Funktionselement, das eine lineare Kombination von Funktions- werten f., (X₁) bis ^f _n(^x _n) hervorbringt, wobei η die Zahl der zu messenden physikalischen Werte ist. Das Signal y des Generators, das sog. "Prüfsignal", ist durch folgende Gleichung (5) gegeben:

y = h_t f j( X₁ ) + ....+ h_n f_n ( x_n ) ··· (5)

Dabei wird vorausgesetzt, daß die Funktionsformeln f. (i = 1 bis n) bereits bekannt sind.

Für den Zweck, daß zum Messen der Ströme x.. bis x^, die durch die drei Leitungen 91 bis 93 der Energieübertragungsleitung fließen, verwendete Meßsystem von Fehlern

unabhängig zu machen, wird erfindungsgemäß ein Prüfsignal erzeugt, das folgender Gleichung (5¹) folgt 5

y = h j y , + h „ χ , + h ₃ χ , · · · (5 ')

Diese Gleichung gilt für de:i Sonäerfall, daß die Funktion f_i der Gleichung (5) die Form f.(x) = x hat. Ein Prüfsignalgenerator, der das Prüfsignal y nach der Gleichung (5') hervorbringt, läßt sich mit dem Prinzip des in den Fig. 3 bis 5 dargestellten optischen Wandlers verwirklichen. Ein typisches Beispiel dieses Prüfsignalgenerators ist in der Fig. 8 wiedergegeben.

Der Prüfsignalgenerator 26 der Fig. 8 ist im wesentlichen gleich einem gewöhnlichen optischen Wandler nach Fig. 4. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die optische Faser 17 mit den Windungszahlen N₁, N„ und N₃ um die drei Energieübertragungsleitungen 91, 92 bzw. gewickelt ist und so drei optische Wandlereinheiten 28-1 bis 28-3 bildet, die hintereinander auf der optischen Faser 17 gebildet sind.

Das Diagramm der Fig. 9 zeigt die Anordnung nach Fig. in der Form eines optischen Meßsystems. Die Faradayrotatoren 12-1, 12-2 und 12-3 befinden sich innerhalb der Magnetfelder H-, H₃ bzw. H₃, und von einer Lichtquelle 10 wird linear polarisiertes Licht parallel zur Richtung der drei Magnetfelder durch die Faradayrotatoren 12-1, 12-2 und 12-3 hindurchgeschickt. Dadurch wird die Polarisationsebene um zugehörige Winkel G₁, θ2 und θ2 in den drei Faradayrotatoren gedreht. Die Polarisationsebene des Lichtes am optischen Wandler 28-3, der zum Leiter 93 gehört, wird aufgrund des Faradayeffektes um einen Winkel gemäß Gleichung (6) gedreht

^Θ3 ^{= V}e^L3 ^H3 ··· ⁽⁶⁾

Hierin ist V die Verdetkonstante, während die Länge der um die Leitung 93 herumgewickelten Faser L_ und die Stärke des durch den Strom X₃ erzeugten Magnetfeldes H₃ sind. Gleiches gilt für die optischen Wandler 28-2 und 28-1 an den Leitungen 92 und 91, in denen die Polarisationsebenen um die Winkel entsprechend den Gleichungen (7) und (8) gedreht werden.

O₂=V₆ L₂ ^H2 ·'· ⁽⁷⁾

O₁- V_e L₁ H₁ ··. (8)

Damit ergibt sich ein Gesamtverdrehungswinkel y der Polarisationsebene von

_γ=θ_ι+θ₂₊β₃ -V₆(L₁H₁+ L₂H₂+ L₃H₃) ... (9) Die Werte L und H in der Gleichung (9) können noch

durch folgende Gleichungen substituiert werden:

Lj = 2 π R . Nj ... (10)

Hj=Xj/2iR ... (11)

mit j = 1, 2, 3. Man erhält dann

y-V_e(N₁x₁+N₂x₂+N₃x₃ ) ··· ⁽¹²⁾'

woraus mit

hj =V_e Nj (j = 1, 2, 5) ... (13)

die Gleichung (14) entsteht

y = h ,x, + h₂x₂ + h₃x₃ ... (14),

die mit der Gleichung (5') übereinstimmt. Die gezeigte

Untersuchung läßt erkennen, daß der Prüfsignalgenerator 26 sich mit einem Aufbau verwirklichen läßt, wie er in Fig. 8 dargestellt ist. Außerdem läßt die Gleichung (13) erkennen, daß die Größe des Koeffizienten h. durch Ändern der Windungszahlen N. der optischen Faser 17 um die Leiter 91 bis 93 frei wählbar ist.

Das Blockdiagramm der Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Strommeßsystems. Dieses Ausführungsbeispiel ist aus der Zusammenfügung des Strommeßsystems nach Fig. 5 mit zwei Prüfsignalgeneratoren 26 gemäß Fig. 8 entstanden. Nimmt man nun an, daß die optischen Fasern 17 bei den drei optischen Wandlern 23 bis 25 100 Windungen um die Leiter 91 bis 93 haben, so erhält man aus Gleichung (4) die nachstehenden Gleichungen (15) bis (17)

Y₁ = 100 V_e X₁ ... (15)

y₂ = 100 V_e X₂ ... (16)

y₃ = 100 V_e X₃ ... (17)

Weiter wird angenommen, daß die optischen Fasern 17, die zu den PrüfSignalgeneratoren 26-1 und 26-2 gehören, in der angegebenen Weise mit 162 bzw. 100 Windungen um die Energieübertragungsleitungen 91 bis 93 gewickelt sind. Es lassen sich dann aus der obigen Gleichung (12) folgenden Zahlengleichungen aufstellen 30

y₄=V_e(100x, + 162x₂ + 162x₃) ... (18)

y₅=V_e(162_Xl + 162x₂ + 10Ox₃) ··- (19)

Aus den Gleichungen (15) bis (19) ergeben sich die nachfolgend aufgeführten Beziehungen zwischen den Größen x. bis X₃ und Y₁ bis y_ .

1. O 1. 6 2 1.6

-1.62 -1.62 -1.0

-G = 1 0 0 V,

Das Minuszeichen vor der Größe yv bedeutet, daß der Wert von y^ mit umgekehrtem Vorzeichen in den Rechner eingegeben wird. Die Gleichung (20) kann mit Wechselsymbolen folgendermaßen in einfacher Form als Matrix geschrieben werden

mit der Bedeutung

y = Hx

Y = Cy₁, y_2| y₃, y₄, -y_B

H=G

1.0 1. 6 2 1. 6 2

- 1.6 2 - 1.6 2 - 1. 0

χ, , χ

j , X₂ ,

Das Symbol T bedeutet, daß der damit gekennzeichnete Ausdruck eine transponierte Matrix ist.

Wenn eine Störung in den ersten drei optischen Wandlern 23 bis 25 oder in den Prüfsignalgeneratoren 26-1, 26-2 auftritt, erscheinen Fehler e. (j = 1, 2, .... 5) in den Komponenten des Vektors y. Dadurch wird die in den Rechner 5 tatsächlich eingespeiste Eingangsgröße y' durch folgende Gleichung ausgedrückt:

y = y + C e j , e₂ , · · · , e₅ ]

= Hx + C e, , e₂ , · · * e₆ J 15

Die Matrix V in der nachfolgenden Gleichung (24) wird im folgenden als "Paritätsprüfungsmatrix" bezeichnet.

( 0.65245 , 0.51 167 , 0.19544 , 0.19544 , 0.51 167 \ 0 0.57175,0.60150,-0.60150,-0.57175

= C v, , v₂ _t v₃ , v₄ , v₅ } · · · (24)

Diese Matrix erfüllt die Bedingung

VH=O ' ... ₍₂₅₎

Außerdem haben die Spaltenvektoren V₁ bis V_n. in der Paritätsprüfungsmatrix V die in Fig. 11 in einer zweidimensionalen Darstellung gezeigte Gestaltung. Danach haben die Spaltenvektoren v. bis v_c untereinander qlei ehe Winkelabstände und sind alle gleich lang.

Es wird nun das Funktionsprinzip für die Erkennung

eines Fehlerortes bei dem Ausführungsbeispiel anhand

der Fig. 11 beschrieben. Der zweidimensionale Vektor S, der bei der Fehlersuche unerläßlich ist, wird "Syndrom" genannt und ist mit folgender Gleichung bestimmt:

S-Vy ... (26)

Dieser Wert kann aufgrund der erwähnten Matrix V und des gemessenen Vektors y, der tatsächlich in den Rechner 5 eingegeben worden ist, berechnet werden. Es sei weiter erwähnt, daß die nachstehend aufgeführte Gleichung (27) durch Substitution der Gleichungen (23) und

(25) in Gleichung (26) und entsprechende Umordnung erhalten wird

S= e,v, + e₂v₂ + e₃v₃ + e₄v₄ + e₅v_g ... (27)

Diese ist ausschließlich von den in den Ausgangswerten von den Sensoren und denen von den Prüfsignalgeneratoren enthaltenen Fehlern abhängig.

Es wird hier vorausgesetzt, daß nicht gleichzeitig zwei oder mehr optische Wandler und Prüfsignalgeneratoren defekt werden und daß auch immer nur das k-te Signal y, gestört ist. Unter dieser Voraussetzung für die Formel (23) kann, da der Fehler e, des Signals y, besonders groß und die Fehler e. der übrigen Signale y. (j 4 k) praktisch 0 sind, aus der Gleichung (27) die folgende Gleichung (28) entwickelt werden

S = e_k;_k ' .-. (28)

Es soll &= I e, | der Betrag des Fehlers des Signals y,

κ κ

sein, und aus Gleichung (28) stellt man fest, daß die Länge S des Syndroms während des Auftretens des Fehlers

durch die Gleichung (29) ausgedrückt werden kann und das Syndrom in Richtung von V, verläuft. 5

Il S Il = Π v_kll I δ I = τ/ψ* \ S ] ... (29)

Wenn das Eyr.Jrc.» S üb·... ü-_;n Kreis mit cc.-. Radier; r (ein zuvor festgelegter Schwellwert) um den Ursprung als Mittelpunkt in der zweidimensionalen Ebene hinausgeht, wie in Fig. 11 gezeigt, dient das als Anzeichen, daß ein Fehler auftritt. Man kann für den Fall auch erkennen, daß derjenige optische Wandler oder Prüfsignalgenerator , der dem Vektor v, entspricht, welcher die

k .

längste Projektion des Syndroms S ergibt, mit dem Fehler behaftet ist. Auf diese Weise läßt sich das Auftreten eines Fehlers selbst und der Ort, wo er auftritt (Richtung von y, ) ermitteln.

Nach diesem anhand der Fig. 11 beschriebenen Prinzip muß der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 eingesetzte Rechner 5 Rechenoperationen ausführen, wie sie im Flußdiagramm der Fig. 12 dargestellt sind. In Stufe 101 werden die gemessenen Werte y₁, y₂ und y₃ und die Prüfsignale y, und y₅ über das Datenerstellungssystem (Fig. 10) in den Rechner 5 eingegeben, und nach Gleichung (30) wird der Vektor y berechnet.

y = Ty₁/ Y₂, Y₃₁ y₄, -y₅] ...

In Stufe 102 wird das Syndrom S, das ein zweidimensionaler Vektor ist, aus dem Vektor y nach Gleichung (31) berechnet

S = Vy ... (31)

Die Matrix V in dieser Gleichung ist die Paritätsprüf-

matrix nach Gleichung (24).

In Stufe 103, die der Feststellung eines eventuell vorhandenen Fehlers dient, wird eine zuvor festgelegte Zahl r mit der Länge des Syndroms S verglichen. Es liegt dann ein Fehler vor, wenn beim Vergleich die Lange von S größer als der vorgegebene Wert r ist. In einer konkreten Form wird in dieser Stufe das innere Produkt der Vektoren S, S, d.h. </S, s"7 , berechnet. Als normal funktionierend wird erkannt, wenn das innere Produkt <Cs, S/" kleiner als der Wert r² ist. Um für diesen Fall Normalfunktion anzuzeigen, wird zur nächsten Stufe

IQ 105 übergegangen, was dadurch geschieht, daß K zu 0 gesetzt wird. Ein Fehler wird angezeigt, wenn das innere

Produkt S, S größer als der Wert r² ist. Dies wird dann durch Weitergehen zur Stufe 104 angezeigt.

In der Stufe 106 wird der Fehlerort bestimmt. Dazu wird die Länge der Projektion des Syndroms S auf dem Spaltenvektor v. (j = 1, 2, ... 5) in der Paritätsprüfmatrix

3
V berechnet nach der nachfolgend angegebenen Gleichung

(32), um die Zahl K zu ermitteln, die den größten Wert nc ergibt. Wenn die so bestimmte Zahl K eine der Zahlen 1 bis 3 ist, bedeutet dies, daß der optische Wandler, der diese Ordnungszahl trägt, einen Fehler aufweist. Wird als Zahl K die Zahl 4 oder 5 ermittelt, dann heißt das, daß der Prüfsignalgenerator, der diese Ordnungszahl go trägt, einen Fehler hat. Im Diagramm der Fig. 11 ist der Fall dargestellt, daß der Sensor 2 den Fehler aufweist.

• ·

<v_j,v_j>.i

Es wurde soeben das Rechnerprogramm beschrieben, mit

dessen Hilfe bei Vorhandensein eines Fehlers im System dieser Fehler aufgespürt und die Fehlerstelle aufgrund der gemessenen Werte und des abgegebenen Prüfsignals ermittelt werden. Fig. 13 zeigt ein Flußdiagramm über den Ablauf des Rechnerprogramms, welches im Anschluß an den Vorgang nach Fig. 12 durchgeführt wird, um die richtigen Werte X₁ bis x., der durch die Energieüber-

tragungsleitungen fließenden Ströme zu ermitteln. Der dargestellte Vorgang umfaßt den Vorgang der Beseitigung des in dem System aufgetretenen Fehlers, so daß die korrekten Stromwerte auch dann erhalten werden, wenn ein Fehler auftritt.

Im Schritt 201 wird der Rechenvorgang gemäß den Ergebnissen der Berechnung nach Fig. 12 abgezweigt, d.h. entsprechend dem Ergebnis K der Fehlererkennung. Ist K 0, geht der Rechenvorgang zum Schritt 202 über, womit angezeigt wird, daß kein Fehler vorhanden ist. Da dann die von den optischen Wandlern 23 bis 25 gemessenen Werte y.. bis y, richtig sind, werden die Werte x.. bis X-. als Stromwerte in den Leitern 91 bis 93 durch Verarbeitung der Matrix ^y₁, y_o, y,I /G in die Matrix ,- — τ — \ /. J-'

25. .χ.., x-f x->. in der Stufe 203 berechnet. Damit ist der Berechnungsvorgang zu Ende.

Wird dagegen festgestellt, daß K einer der Werte 1, oder 3 ist, so zeigt diese Tatsache, daß einer der optisehen Wandler 2 3 bis 25, der diese Zahl K trägt, fehlerhaft ist. Mit anderen Worten, die gemessenen Werte y, aus den Energieübertragungsleitungen 91 bis 93 können nicht die richtigen Größen x, für den Strom ergeben. In den Stufen 204 bis 207 wird deshalb der genannte Wert x, aus den gemessenen Werten und den Prüfsignalen, von denen der bestimmte gemessene Wert y, , in dem der Fehler auftritt, ausgeschlossen wird, berechnet .

Es wird nun das Prinzip dieses Verarbeitungsabschnittes näher beschrieben. Wenn das Ergebnis K, d.h. die Erkennung, wo ein Fehler auftritt, 1 ist, wird aus der Gleichung (20) die folgende Gleichung (33) von gleichzeitigen linearen Gleichungen aufgestellt.

= G

1. O 1.6 2 1.6 2

-1.62 -1.62 - 1. Q

Die zeitgleichen linearen Gleichungen der Gleichung (33) haben eine einzige Lösung. Durch Multiplizieren der pseuaoxnversen Matrix der koeffizienten Matrix in die Vektoren Y₂^Yc ⁱⁿ der Gleichung (33) läßt sich der Wert χ, berechnen. Wenn K 2 oder 3 ist, werden auf genau dieselbe Weise die Werte x„ oder

berechnet.

Nach dem obigen Prinzip wird das Auftreten eines Fehlers in dem k-ten optischen Wandler in der Stufe 204 mitgeteilt, und es wird anschließend ein Rechenvorgang für die pseudoinverse Matrix der Matrix H von 4 Zeilen und 3 Spalten durchgeführt, die durch das Ausschließen der k-ten Zeile aus der koeffizienten Matrix H entsteht. Das Ergebnis der Berechnung wird als A ersetzt. Der arithmetische Vorgang kann durchgeführt werden, wie nachfolgend beispielsweise gezeigt:

H^TH

-i gT

Die Durchführung der Berechnung der rechten Seite dieser Gleichung ist kompliziert und benötigt viel Zeit. Diese Schwierigkeit läßt sich dadurch vermeiden, daß die Berechnung im voraus durchgeführt und die Ergebnisse der Berechnung in e.i(tem entsprechenden Speicher gespeichert werden, wobei dieser Speicher dann im Bedarfsfall für die Entnahme der benötigten Daten jederzeit bereitsteht. 10

In der Stufe 206 wird Vektor y", in dem der k-te gemessene Wert y, , bei dem der Fehler festgestellt worden ist, weggelassen wird, aus dem Vektor y erzeugt.

T In der Stufe 207 werden die Stromwerte χ = (X₁, X₂, X₃)

der durch die Übertragungsleitungen 91 bis 93 fließenden Ströme durch Multiplizieren des Vektors "y* mit der pseudoinversen Matrix A berechnet. Diese Berechnung wird nach Gleichung (35) ausgeführt. 20

X=Ay ... (35)

Wird nun als K die Zahl 4 ermittelt, dann geht das Programm zur Stufe 208 über, wo zunächst einmal mitgeteilt wird, daß im ersten Prüfsignalgenerator 26-1 ein Fehler auftritt. Da für diesen Fall die gemessenen Werte y. bis y₃, die von den optischen Wandlern 23 bis 25 abgegeben werden, die korrekten Größen X₁ bis X₃ der in den übertragungsleitungen fließenden Ströme ergeben, werden anschließend die Berechnungen dieser Werte in der Stufe 20 9 durchgeführt. Dieser Berechnungsteil stimmt mit Stufe 203 überein.

Tx₁, x₂, X₃J Jr- ^y₁, y₂, Y₃] /G

Wird als K die Zahl 5 ermittelt, so wird in der Stufe 210 die Mitteilung herausgegeben, daß sich der Fehler

im zweiten Prüfsignalgenerator 26-2 befindet. Auch hier wiederum wird dann aus denselben Gründen wie im Falle K = 4 die Berechnung der Stromwerte in der Stufe 211 nach der vorangegangenen Formel durchgeführt.

Wenn die Verarbeitung mit Hilfe des in den Fig. 12 und 13 dargestellten Computerprogramms in dem System nach Fig. 10 durchgeführt wird, können im Strommeßsystem gemäß Fig. 5, in dem optische Wandler eingesetzt werden, Störungen bei den Sensoren zugelassen werden.

Im Blockdiagramm der Fig. 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem Meßsystem, das Störungen vertragen kann, dargestellt. Aus diesem Diagramm erkennt man, daß die Datenerstellungssysteme 2 die zugehörigen Sensoren unabhängig versorgen. Das Meßsystem bleibt auch noch fehlerunabhängig, indem das Rechenprogramm nach den Fig. 12 und 13 ausgeführt wird, wenn der Fehler in einem der Datenerstellungssysteme 2-1 bis 2-5 auftritt, ganz abgesehen von den Fällen, in denen der Fehler in den Sensoren 33 bis 35 oder den Prüfsignalgeneratoren 26-1 und 26-2 vorhanden ist. Dies läßt sich leicht verstehen, wenn die Sensoren 33, 34, 35, 26-1 und 26-2 als Paare mit den Datenerstellungssystemen 2-2 bis 2-5 zur Bildung von fünf Sätzen von Sensoren betrachtet werden. Eine derartige unabhängige Installation von fünf Datenerstellungssystemen führt jedoch zu einer starken Kostenvermehrung, weshalb diese Systeme möglichst so aufgebaut sind, daß ein A/D-Wandler und weitere Bauteile über einen Analog-Multiplexer zeitversetzt von den Sensoren gemeinsam benutzt werden. Ein derartig abgewandeltes Ausführungsbeispiel ist in Blockdiagrammform in der Fig. 15 wiedergegeben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 33

bis 35 und die PrüfSignalgeneratoren 26-1 und 26-2 so gestaltet, daß sie zeitversetzt über Analog-Multiplexer 36, 37 mit den A/D-Wandlerri 38, 39 verbunden werden. In der Anordnung der Fig. 15 schließen sich an die Analog-Multiplexer in dualem Aufbau weitere gleiche Komponenten an.

Eines der Datenerstellungssysteme der dualen Anordnung (bestehend aus Multiplexern 36, 37, A/D-Wandlern 38, 39) wird "Primärsystem" das andere "Sekundärsystem" genannt, wobei ihre Ausgangsgrößen die Bezeichnungen y und y. haben. Es wird in diesem Fall folgende zusätzliche Verarbeitung durchgeführt, bevor das Computerprogramm nach den Fig. 12 und 13 abläuft. Es wird zunächst das Syndrom S aufgrund der Ausgangsgröße y des Primärsystems und das Syndrom S_ aufgrund der Ausgangsgröße y, des Sekundärsystems berechnet.

Der Rechenvorgang wird nachfolgend für vier Fälle betrachtet.

(1) |s_p] < r und ;S_B! <r:

Da in diesem Fall Normalzustand des Meßsystems vorliegt, werden die richtigen Größenwerte X₁ bis x^, der Ströme aus dem Ablauf des Rechnerprogramms nach Fig. 12 und 13 erhalten, wobei die Ausgangsgröße y des Primärsystems als Eingangswerte des Rechners verwendet werden.

(2) Sind I S_ I >r und |s_. | >r, so ergibt sich daraus, daß ein Fehler im Datenerstellungssystem des Primärsystems auftritt, was nach außen kenntlich gemacht wird. Die korrekten Werte X₁ bis x., der Ströme lassen sich folglich aus der Durchführung des Rechenprogramms nach Fig. 12 und 13 mit den Ausgangswerten y, des Sekundärsystems als Eingangswerte des Rechners ermitteln.

O O C I /LUJ

(3) Ist Js j /f r und |S | > r, so liegt ein Fehler im Datenerstellungssystem des Sekundärsystems vor. Die richtigen Werte X₁ bis X₃ der Ströme werden durch Ausführen des Rechenprogramms nach Fig. 12 und 13 mit den Werten y des Primärsystems als Eingabewerte des Rechners ermittelt.

(4) Sind JS >r und |S | > r, so kann daraus geschlossen werden, daß der Fehler in einem der Sensoren 33 bis 35, 26-1 oder 26-2 auftritt. Der fehlerhafte Sensor wird mit Hilfe des Rechenprogramms nach Fig. 12 mit Hilfe der Ausgangswerte y des Primärsystems als Eingangsdaten zum Rechner ermittelt. Die richtigen Werte x. bis X₃ der Ströme erhält man anschließend, wenn das Rechenprogramm nach Fig. 13 abgelaufen ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 16 dargestellt. Es werden dabei herkömmliche elektromagnetische Stromwandler verwendet. Zusätzlich werden zwei PrüfSignalgeneratoren 26 gemäß Fig. 10 zum Meßsystem hinzugefügt, das zur Messung der Werte der Ströme dient, die durch die Energieübertragungsleitungen 91 bis 93 fließen. Die drei elektromagnetischen Stromwandler 40 bis 42 geben über Datenerstellungssysteme 2-1 bis 2-3 für je einen Stromwandler die gemessenen Werte an einen Rechner 5 ab. Die Größen x. bis X₃ der durch die Leitungen 91 bis 93 fließenden

gQ Ströme, die gemessenen Werte y₁ bis y-. und die Prüfsignale y. und y₅ verhalten sich gemäß der Gleichung (20), wenn die Verstärkungsfaktoren der Verstärker innerhalb der Datenerstellungssysteme 2-1 bis 2-5 entsprechend angepaßt sind. Es läßt sich folglich durch

3g die Kombination des Aufbaus nach Fig. 16 mit dem Rechnerprogramm der Fig. 12 und 13 ein Strommeßsystem unter Verwendung elektromagnetischer Stromwandler

schaffen, das für Einzelstörungen nicht anfällig ist. Man sieht also, daß in einem·gegen Störungen unanfälligen Meßsystem nicht unbedingt Sensoren eingesetzt werden müssen, in denen optische Fasern verwendet werden. Umgekehrt ist es auch zulässig und möglich, die Prüfsignalgeneratoren mit Hilfe elektromagnetischer Stromwandler zu erstellen.

Die beiden bisher beschriebenen Ausführungsformen betreffen Strommeßeinrichtungen, die für auftretende Fehler unanfällig sind. Man kann jedoch auch Prüfsignalgeneratoren in einer ähnlichen Anordnung wie Fig. 8 für andere physikalische Größen erstellen. So lassen sich

(a) ein Prüfsignalgenerator für den Einsatz in einem Temperaturmeßsystem, bei welchem die Erscheinung des Bandabstandes in einem Halbleiterkristall genutzt wird,

(b) ein Prüfsignalgenerator zur Verwendung in einem

System zum Messen elektrischer Felder unter Ausnutzung des Pockels-Effektes oder (c) ein Prüfsignalgenerator für ein Druckmeßsystem unter Ausnutzung des fotoelastischen Effektes verwirklichen.

Ein Verfahren, in welchem Prüfsignalgeneratoren mit Hilfe von Sensoren, in denen optische Fasern eingesetzt werden, gebildet werden, wurde oben beschrieben. Es stehen verschiedene andere Methoden zur Verfügung, um derartige Prüfsignalgeneratoren zu bilden. Als typisches Beispiel kann ein Prüfsignalgenerator zur Temperaturmessung angeführt werden, in dem ein Thermowiderstand (RTD) verwendet wird.

Der Thermowiderstand (RTD) ist ein Wandler für Temperaturmessung, der eine vorgegebene Temperatur in eine bestimmte Größe des elektrischen Widerstandes umsetzt. Die Größe des elektrischen Widerstandes y(x) entspricht

vJ O L· I

der Temperatur χ und ist durch folgende Gleichung vor gegeben :
5

In der Gleichung sind mit R„ der Widerstandswert des Thermowiderstands bei 0⁰C- auch sein Nominalwiderstand - und <=<~und ^ bekannte materialspezifische Koeffizienten bezeichnet.

Fig. 17 zeigt das Konzept eines Meßsystems, mit dem an drei Punkten Temperaturen χ bis X₃ aufgenommen werden.

Die Temperaturen x. bis x_ werden in dieser Anordnung durch Thermowiderstände RTD-1 bis RTD-3 in entsprechende Widerstandswerte y(x.J, y(x₂) ^und Y ^3} ^un<^ anschließend durch zugehörige Brückenkreise 36-1 bis 36-3 in Spannungen umgesetzt. Diese Spannungen werden durch Differentialverstärker 37-1 bis 37-3 verstärkt und als Meßwerte y.. / y~ und y., einem Rechner 5 zugeleitet, der die Größen y(x^) bis y(xJ der Widerstände aus den gemessenen Werten (Spannungssignale) von y. bis y-, berechnet und auf die Temperaturen X₁ bis X₃ aus den berechneten Widerstandsgrößen rück.gerechnet.

Fig. 18 zeigt das Konzept eines PrüfSignalgenerators, der dazu verwendet wird, das Meßsystem nach Fig. 17 auch bei auftretenden Fehlern zuverlässig zu machen.

Diese Gestaltung ist nahezu gleich der Einheitskonstruktion eines gewöhnlichen Temperatursensors. Der einzige Unterschied besteht darin, daß ein Arm (Meßarm) der Brücke 36 als Schaltkreis ausgebildet ist, in dem drei Thermowiderstände R., R₂ und R₃ in Reihe liegen, und zwar je einer an den drei Temperaturmeßpunkten.

Die Größen R₁ , R und R-. sollen hier als die.Nominalwiderstandswerte der drei Thermowiderstände bezeichnet

werden, während der kombinierte Widerstandswert R sich nach folgender Formel (37) berechnet

R = R^(X₁) + R₂f(x₂) + R₃f(x₃) ... (37),

worin f(x) = 1 +oi.x + ßx*¹ ist.

Das Signal R ist das durch die Gleichung (5) definierte Prüfsignal.

Fig. 19 ist ein Blockschaltbild, das zeigt, wie mit der Erfindung das Meßsystem nach Fig. 17 durch Einsatz von zwei Prüfsignalgeneratoren 26 nach Fig. 18 fehlerunabhängig gemacht wird. Durch Festlegung eines Nominalwiderstandswertes (mit R_ bezeichnet) lassen sich die gemessenen Werte R ₁ bis R ^, die durch die Thermowiderstände RTD-1 bis RTD-3 der drei Temperatursensoren erhalten werden, so wählen, daß sie folgenden Gleichungen (38) genügen:

^Ry1 ^{= R}0^f(x1⁾' ^Ry2 ⁼ V⁰V' ^Ry3⁼

Wenn die Nominalwerte der Widerstände der in Reihe liegenden Thermowiderstände R₁₁ bis R₁ nachfolgenden Beziehungen erfüllen:

genden Thermowiderstände R₁₁ bis R₁₃ und R₃₁ bis R₃₃ die

R_n = R₀,- R₁₂ = 1,62R_Q>R₁₃ = 1,62R_Q/ R₃₁ = 1,62R_Q; R₂₂ = 1,62R₀; R₂₃ = R₀

dann lassen sich die Prüfsignale (kombinierte Widerstandsgrößen im vorliegenden Fall), die durch den ersten und zweiten PrüfSignalgenerator 26-1 und 26-2 hervorgebracht werden, durch folgende Beziehungen wiedergeben:

«J ^J L. I

= R₀ { f ( X₁) + 1.6 2 f ( x₂ ) + 1.6 2 f ( X₃) } = R₀ { 16 2 f ( X₁) + 16 2 f ( x₂) + f ( x₃) }

Durch die voranstehenden Gleichungen (38) und (39) wird deutlich, daß zwischen f(x.) ^f(X₃) und R .. Beziehung folgenden Zusammenhaltes besteht:

und R .. "^R ₅ eine

R	y¹
R	y²
R	y³
R	y*
-R	y⁵

= R.

1.0 1.6 2 1.6 2

-1.62 -1.62 -1.0

f (x₂) f (

Wenn die anschließenden Gleichungen in die Beziehungen (40) eingesetzt werden,

X = f(x ), R₀ = G, R_yj = y_jf mit j = 1, 2, 3,

so erkennt man, daß die Gleichungen (40) vollständig mit den Gleichungen (20) übereinstimmen.

Mit Hilfe des Rechenprogramms nach Fig. 12 und 13 im Rechner 5 können also exakte Werte von χ., nämlich die richtigen Werte von f(x.)r auch bei in einem Teil der Komponenten aus der Fig. 19 auftretenden Fehlern ermittelt werden, etwa bei einem Fehler in einem Differentialverstärker. Man erhält also genaue Temperaturwerte χ. .

Bisher wurden Prüfsignalgeneratoren unter Verwendung von optischen Fasern oder Thermowiderständen beschrieben. Solche Prüfsignalgeneratoren können jedoch auch mit Hilfe anderer Elemente aufgebaut werden, z.B. mit Thermoelementen oder Dehnungsmeßstreifen.

Die Erfindung ist auch nicht insoweit auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, als die Systeme zum Messen physikalischer Größen Detektoreinrichtungen einer bestimmten Type einsetzen. Sie kann auch in Systemen verwendet werden, in denen physikalische Größen von verschiedenen Arten gemessen werden, indem unterschiedliche Detektoren zur Anwendung kommen. Ein derartiges Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 22 dargestellt.

In der Meßanlage der Fig. 22 werden an einem ersten und einem zweiten Ort Temperaturen X₁ + x~ mit Hilfe eines Thermowiderstandes RTD-1, einer Brücke 36 und eines Thermoelementes TCD-1 sowie eine zweite physikalische Größe (Magnetfeld) x., an einem dritten Ort mit Hilfe eines Hallelementes HE-1 gemessen. Die Meßwerte werden als Signale y-i bis y-, über Differentialverstärker 37-1 bis 37-3 und ein Datenerstellungssystem 2 einem Rechner (nicht gezeigt) zugeführt.

Als weitere Detektoreinrichtung ist zusätzlich ein Prüf-Signalgenerator 26 mit einem Thermowiderstand RTD-2, einem Thermoelement TCD-2 und einem Hallelement HE-2 vorgesehen, das Temperaturwerte X., X_ und das Magnetfeld X₃ an den bereits erwähnten Meßstellen mißt. Die Ausgangswerte der verschiedenen Detektoren werden über Differentialverstärker 37-4 bis 37-6 zu einem Operationsverstärker 45 geleitet, in dem sie zur Bildung eines Prüfsignals addiert oder subtrahiert werden. Wie der

O w) L. I

gewöhnlich gemessene Wert wird dieses Prüfsignal über das Datenerstellungssystem 26 dem Rechner zugeleitet. Danach werden in dem bereits beschriebenen Vorgang die Berechnungen entsprechend dem Flußdiagramm nach Fig. ausgeführt, womit festgestellt wird, ob sich im Meßsystem ein Fehler befindet.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 22 ist nur ein Prüfsignalgenerator eingesetzt, so daß das Syndrom nur in eindimensionaler Form vorliegt und deshalb bei diesem System nur das Vorhandensein eines Fehlers festgestellt werden kann. Es versteht sich jedoch, daß, wenn ein zweiter oder noch weitere Prüfsignalgeneratoren eingesetzt werden, wie dies in den anderen Ausführungsbeispielen der Fall ist, so daß dann auch der Fehlerort festgestellt oder der Fehler behoben werden kann.

Wenn der Bereich, in welchem ein Fehler zugelassen werden kann, im System auf das Datenerstellungssystem begrenzt werden kann, so ist es möglich, einen Operationsverstärker als Prüfsignalgenerator einzusetzen, wie nachstehend beschrieben. Mit A(X-), A(x~) und A(X₃) sind die Ausgangssignale der Differentialverstärker 37-1 bis 37-3 in der Anordnung der Fig. 17 bezeichnet. Wenn (1) die Prüfsignalgeneratoren 26-1 und 26-2 in Gestalt von Operationsverstärkern vor dem Datenerstellungssystem 2 hinzugefügt werden, wie in Fig. 20 gezeigt, (2) die Größen der äußeren Widerstände der Operationsverstärker so gewählt werden, wie in der Zeichnung angegeben, und (3) der Wert von U in Fig. 20 auf 1,62 festgelegt wird, ergeben sich folgende Beziehungen nach den Gleichungen (41) zwischen den Ausgangssignalen y. bis y^ des Datenerstellungssystems 2 und den Ausgangssignalen A (χ..),

und A(x_) der Differentialverstärker 37-1 bis

37-3.

	=	1	6	2	1.	1	2	1.	1	A	(	X	.)
					—		62		62	A	(	X	.)
y₂						6			-1	A	(	X	₃)
ν»		1				1.
-y₄	-1.
y₅

(41)

Damit wird das Gleichungssystem (41) vollkommen den Gleichungssystemen (40) und (20) gleich, wenn die Vorzeichen der Ausgangssignale y. und y^ im Gleichungssystem (41) im Rechner in der nachfolgenden Stufe umgekehrt werden und wenn A(x.) durch x. ersetzt wird.

Die genaue Größe von χ. läßt sich deshalb bei Durchführung des Programms nach Fig. 12 und 13 mit dem Rechner auch dann ermitteln, wenn in einem Teil des Datenerstellungssystems, z.B. in einem A/D-Wandler oder anderen Komponenten, ein Fehler auftritt. Wenngleich bei diesem Fall die Differentialverstärker, Brücken und Sensoren nicht vor auftretenden Fehlern geschützt werden können, sind doch im anschließenden Datenerstellungssystem auftretende Fehler zulässig.

Die Erfindung kann deshalb in einer großen Vielfalt von Meßsystemen, die zur Messung verschiedener physikalischer Größen benutzt werden, z.B. von Strömen, Magnetfeldern, Spannungen, elektrischen Feldern, Temperaturen und Drücken, eingesetzt werden.

Vom Kostenstandpunkt her zeigt sich die Erfindung aus folgenden Gründen überlegen:

(A) Wenn die Zahl der Energieübertragungsleitungen z.B. 3 ist, werden bei einem herkömmlichen TMR-Meßsystem zusätzlich sechs optische Wandler benötigt, damit das Meßergebnis nicht durch im System auftretende Fehler verfälscht wird. Im Gegensatz dazu werden bei der Erfindung nur zwei PrüfSignalgeneratoren zusätzlich benötigt, die denselben Grundaufbau wie die normalen optischen Wandler haben. Die zusätzlich aufzuwendenden Kosten betragen mit der Erfindung also nur ein Drittel.

(B) Beträgt die Zahl der Energieübertragungsleiter 4, so läßt sich beim Meßsystem gemäß der Erfindung die erforderliehe Messung dadurch bewerkstelligen, daß eine optische Faser nacheinander um die vier Energieübertragungsleiter gewickelt wird, was sich jeder Fachmann aus der vorangehenden Beschreibung ableiten kann. Damit ist die Zahl der Prüfsignalgeneratorsensoren mit demselben Grundaufbau wie übliche optische Wandler, welche dazu erforderlich ist, das Meßsystem gegen auftretende Fehler unempfindlich zu machen, weiterhin 2. Das bedeutet, auch bei einer Anzahl von η Energieübertragungsleitungen benötigt das übliche TMR-Meßsystem lediglich zusätzlich zwei r optische Wandler für das Ziel, das System gegen auftretende Fehler unempfindlich zu machen. Für denselben Zweck erfordert das erfindungsgemäße Meßsystem nur zwei Prüfsignalgeneratoren mit demselben Grundaufbau wie von gewöhnlichen optischen Wandlern mehr. D.h., wenn die für das herkömmliche TMR-Meßsystem für den Zweck, es gegen Fehler unempfindlich zu machen, benötigten Kosten 1 sind, die für denselben Zweck für das erfindungsgemäße Meßsystem aufzuwendenden Kosten 1/n betragen.

Sogar wenn Analogsignalschnittstellen, die in einem gegebenen Meßsystem enthalten sind, in zeitlich gestaffel-

ter Folge arbeiten, kann dieses System einfach durch Dualisieren dieser Schnittstellen für auftretende Fehler unempfindlich gemacht werden.

Bezüglich der Zuverlässigkeit weist die Erfindung folgende Überlegenheit auf: Es soll zu diesem Zweck ein Strommeßsystem gemäß Fig. 5 betrachtet werden, bei dem auf drei Energieübertragungsleitungen gemessen wird.

Die Darstellung in der Fig. 21 zeigt die Beziehung zwischen der Zuverlässigkeit R jedes einzelnen optischen Wandlers (horizontale Achse) und der Zuverlässigkeit verschiedener Gesamtsysteme (vertikale Achse). Die Kurve R gibt die Zuverlässigkeit der Sensoreinheit im herkömmlichen System gemäß Fig. 5 wieder, die Kurve R^ die Zuverlässigkeit der Sensoreinheit im herkömmlichen TMR-System, das durch Ergänzung von sechs optischen Wandlern fehlerunempfindlich gemacht worden ist, und die Kurve R die Zuverlässigkeit der Sensoreinheit im System gemäß der Erfindung, das durch Ergänzung von zwei Prüfsignalgeneratoren in einer Ausführungsform nach der Erfindung gegen Fehler unempfindlich gemacht worden ist. Die Kurve R_n zeigt die Zuverlässigkeit der Sensoreinheit im System gemäß der Erfindung, welches durch Ergänzen von drei Prüfsignalgeneratoren gemäß der Erfindung unabhängig von auftretenden Fehlern gemacht worden ist, und die Kurve R zeigt die Zuverlässigkeit der Sensoreinheit in dem System gemäß der Erfindung, das durch Hinzufügen von vier Prüfsignalgeneratoren gemäß der Erfindung von auftretenden Fehlern unabhängig gemacht worden ist.

j L. I ά. U

Tabelle 1

Einheit	System nach Fig.5	TMR-Systern	System nach Fig.10
R	Kurve R,	Kurve R-, D	Kurve Rp
0.999	0.9970	O.99999I	Ο.99999Ο
0.99	0.9703	0.99910	Ο.999Ο2
0.95	Ο.8574	0.97841	0.97741
0.9	Ο.729	Ο.91833	Ο.91854
0.8	Ο.512	Ο.71932	Ο.73728
0.7	Ο.343	0.48189	Ο.52822

Man erkennt aus Fig. 21 und Tab. 1, daß durch Ergänzen von zwei PrüfSignalgeneratoren gemäß der Erfindung derselbe Zuverlässigkeitsgrad wie nach der herkömmlichen TMR-Methode erzielt wird, bei der zusätzlich sechs Sensoren eingesetzt werden, und daß durch Erhöhen der Anzahl von Prüfsignalgeneratoren auf drei oder vier eine bemerkenswerte Zuverlässigkeitssteigerung erreicht wird.

Wie oben beschrieben, kann ein vorgegebenes Meßsystem mit Hilfe der Erfindung gegenüber auftretenden Fehlern unempfindlich gemacht werden, und besonders kann seine Zuverlässigkeit durch Hinzufügen einer nicht mehr verringerbaren kleinsten Anzahl von redundanten Elementen, insbesondere von zwei PrüfSignalgeneratoren, verbessert werden.

Das Syndrom (der lediglich auf dem Fehler e. der verschiedenen Meßeinrichtungen und der Prüfsignalgeneratoren beruhende Vektor), das an früherer Stelle erwähnt ist, kann auch durch ein anderes Verfahren berechnet werden, wie nachstehend erläutert.

Zunächst wird ein Vektor der fünften Ordnung folgendermaßen berechnet:
5

T = CI-H(H¹H)-¹H^y

Hierin ist I eine Einheitsmatrix. Der Vektor R wird Re-

siduumvektor bezeichnet. Dieser Residuumvektor R hat folgende Beziehung (43) zum Syndrom S, das durch die Gleichung 26 bestimmt wird:

r =V ^T S ··· (43)

In dieser Gleichung ist mit V die Paritätsprüfmatrix nach Gleichung (24) bezeichnet. Da der Vektor S nur von den Fehlern der verschiedenen Meßeinrichtungen und Prüfsignale abhängt, kann man aus der Gleichung (43) erkennen, daß der Residuumvektor f in gleicher Weise ein Vektor ist, der nur von den Fehlern in den verschiedenen Meßeinrichtungen und PrüfSignalen abhängt. Ferner geht aus der Gleichung (4 3) hervor, daß folgende Gleichungs- .

beziehungen (44) und (45) gelten:

H r 11 = H SlI ... (44)

ι rj ι = ι <s Vj> ι ··· ⁽⁴⁵⁾

Somit läuft die Feststellung und Erkennung eines Fehlers, wie sie in Fig. 12 dargestellt ist, nach folgendem Vorgang ab:

(a) Feststellung des Fehlers: Das Auftreten eines Fehlers wird zu erkennen gegeben, wenn die Länge des Residuumvektors |f( den Schwellwert r übersteigt;

O O Z. / L U 38

(b) Erkennung des Fehlers: Die Zahl K, die für |r.| der Komponente r. (j = 1, 2, ... 5) des Residuumvektors den Maximalwert ergibt, wird als Zahl des Fehlerortes herausgestellt.

Durch Verwendung des Residuumvektors f als Syndrom lassen sich deshalb Auftreten des Fehlers und Erkennen des 10 Fehlerortes bewerkstelligen.

Claims

NIPPON BUSINESS CONSULTANT CO., LTD. Tokyo / JAPAN Meßsystem mit verbesserter Zuverlässigkeit Patentansprüche

1. iMeßsystem mit hoher Zuverlässigkeit, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Meßmitteln (23, 24, 25) zum Messen der Größen von zahlreichen physikalischen
Größen (X₁, X₂, X₃) und Umwandeln der Meßwerte in
entsprechende elektrische Signale, wenigstens einen Prüfsignalgenerator (26-1 , 26-2) zum Erzeugen eines Prüfsignals, das eine lineare Kombination von
Funktionswerten von Größen derselben physikalischen Größen (x.., X₃, X₃) ist, Mittel (5) zum Bestimmen
eines Syndroms (S) aufgrund des Prüfsignals und der von den Meßmitteln abgegebenen elektrischen Signale, das als Vektor ausschließlich von den in den Meßmitteln und dem Prüfsignalgenerator auftretenden
Fehlern abhängt, und Mittel zur Erkennung des Fehlers der Meßmittel aufgrund der Größe und/oder der Richtung des Syndroms.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Prüfsignalgeneratoren (26-1, 26-2) vorgesehen sind und zusätzlich Mittel (5) zur Berechnung und Rückgewinnung der korrekten Größe der physikalischen Werte für die fehlerbehafteten Meßmittel

sJ Z- / JL. KJ

aufgrund der Signale mit Ausnahme des als fehlerbehaftet erkannten Signals vorhanden sind. 5

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der PrüfSignalgenerator (26) einen optischen Sender (20), einen optischen Empfänger (21), eine den optischen Sender mit dem optischen Empfänger verbindende optische Faser (17) und soviele optische Wandler (28-1, 28-2, 28-3) aufweist, wie physikalische Werte zu messen sind, welche in Reihe liegend in die optischen Fasern eingefügt sind und dazu dienen, die gemessenen Werte der optischen Größen in entsprechende Größen in der Modulation von optischen Wellen umzuwandeln, wodurch das Prüfsignal (y), das eine lineare Kombination von Funktionswerten der Größen der gemessenen physikalischen Größen ist, auf der Basis der Größe der Modulation der optischen Welle erzeugt wird.

4. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der PrüfSignalgenerator soviele Wandler (R₁, R₂, R-) enthält wie physikalische Größen, die hintereinander geschaltet sind und die Größen der gemessenen physikalischen Größen (X₁, X₃, x_) in entsprechende Widerstandswerte umwandeln, wodurch das Prüfsignal, das eine lineare Kombination von Funktionswerten der Größen der gemessenen physikalischen Größen ist, auf der Grundlage des resultierenden Wertes der in Reihe geschalteten Wandler erzeugt wird.

5. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfsignalgenerator mit soviel Mitteln zum Messen von physikalischen Größen ausgestattet ist, wie zu messende physikalische Größen vorhanden sind, und Mittel zur Durchführung von Addition oder Substraktion der Ausgangssignale der Meßmittel aufweist.

6. Meßsystem hoher Zuverlässigkeit, gekennzeichnet durch eine Vielzahl· von Meßmitteln zum Messen von Größen von mehreren physikalischen Größen und Umwandeln der gemessenen Werte in entsprechende elektrische Signale, wenigstens einen PrüfSignalgenerator zum Erzeugen eines Prüfsignals, das eine lineare Kombination von Funktionswerten der elektrischen Signale, welche von den Meßmitteln abgegeben werden, ist, Mittel zum Bestimmen eines Syndroms auf der Basis des Prüfsignals und der von den Meßmitteln abgegebenen elektrischen Signale, das als Vektor nur von Fehlern der Meßmittel und des Prüfsignalgenerators abhängt, und Mittel zum Erkennen des Fehlers der Meßmittel aufgrund der Größe oder Richtung des Syndroms.

7. Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Prüfsigna!generatoren und Mittel zum Berechnen und Wiederherstellen einer korrekten Größe der physikalischen Größe für das fehlerbehaftete Meßmittel aufgrund der Signale mit Ausnahme des als fehlerbehaftet erkannten Signals vorhanden sind.