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Verfahren zur Transformation der Signalcharakteristik
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eines Sensorsignals Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem
Verfahren zur Änderung der Ausgangscharakteristik eines Sensorsignals nach der Gattung
des Hauptanspruchs. Aus der deutschen Patentanmeldung P 35 09 118.5 ist bereits
ein derartiges Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses erfahrens
bekannt. Diese Patentanmeldung P 35 O9 118.5 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Messung des Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums, bei dem die
periodisches Verhalten aufweisende Ausgangssignalcharakteristik des Durchsatzmeßwertgebers
zur Erfassung der Zeitpunkte des Auftretens von Änderungen der Strömungsrichtung
ausgewertet und diese Zeitdauer geänderter Strömungsrichtung über entsprechend Korrekturfaktoren
bei der Ermittlung des Durchsatzwertes berücksichtigt wird. Der Inhalt dieser Patentanmeldung
sowie das, was der Fachmann als zur vorliegenden Erfindung gehörend
aus
der P 35 O9 118.5 entnehmen kann, soll ausdrücklich in den Offenbarungsmfang der
vorliegenden Anmeldung mit aufgenommen werden. Bei diesem bekannten Verfahren (siehe
Figur 7, Block 27 sowie Figur 8b1 und den zugehörigen Text der P 35 09 118.5) hat
es sich als nachteilig erwiesen, daß die relative Auflösung am unteren Ende des
Wertebereichs der Ausgangssignale des Durchsatzmeßwertgebers durch die Linearisierungsfunktion
sehr stark verschlechtert wird. Die relative Auflösung kann natürlich dadurch verbessert
werden, daß der Speicher für die Tabellenwerte für die Linearisierungsfunktion vergrößert
wird und somit eine feinere Quantisierung möglich ist. Diese Maßnahme führt jedoch
zwangsläufig zu dem Einsatz von erheblich teureren Speichermitteln und zu einem
erhöhten Platzbedarf zur Unterbringung der Speichermittel.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit
dem eine verbesserte relative Auflösung bei der Meßwertverarbeitung der Sensorsignale
unter Verwendung von im wesentlichen gleich großen Speichermitteln gewährleistet
ist.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
gelöst.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, daß der Wertevorrat der abgespeicherten Tabellenwerte
tabellenbereichsabhängig mit unterschiedlichen Skalierungsfaktoren gespeichert wird,
so daß eine größere relative Auflösung in den einzelnen Bereichen der Tabellenwerte
erzielt wird. Durch die anschließende Verknüpfung der ausgelesenen Tabellenwerte
mit einem Anpassungsfaktor in der Weise, daß das Produkt aus Skalierungsfaktor und
Anpassungsfaktor einen bereichsabhängigen Wert > 1 annimmt, wird wieder die richtige
Zuordnung der Tabellenwerte zu den physikalischen Größen erreicht.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der
Zeichnung.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
schematisch dargestellt und. wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur
1 Anordnungen der Tabellenwerte in den Speichermitteln, wie sie gemäß dem Stand
der Technik bekannt sind, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Anordnung der Tabellenwerte in den Speichermitteln, Figur 3 eine Darstellung der
Tabellenwerte nach der Verknüpfung mit dem Anpassungsfaktor und Figur 4 ein Flußdiagramm
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung des Ausführungsbeispieles Ausgehend von dem zum erfindungswesentlichen
Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung zu zählenden Beschreibungsteil der deutschen
Patentanmeldung P 35 O9 118.5 soll im folgenden ein Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße
Verfahren näher erläutert werden. In Figur 7 ist dort eine Vorrichtung dargestellt,
bei der die Ausgangssignale eines Durchflußmessers dem Eingang eines Differenzverstärkers
zugeführt werden, dessen anderer Eingang über einen Spannungsteiler mit einer Referenzspannung
beaufschlagt ist. Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers werden von einem
Analog/Digital-Wandler digitalisiert, wobei die Referenzspannung ebenfalls an den
Analog/Digital-Wandler angeschlossen ist. Ein Taktgenerator erz-eugt eine Taktfrequenz,
die insbesonder variabel einstellbar ist und die Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers
bestimmt. Die
digitalen Ausgangssignale des Analog/Digital-Wandlers
durchlaufen eine Linearisierungsfunktion, die beispielsweise als Kennfeldtabelle
ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert, welches insbesondere auf die Linearisierungsfunktion der Figur 7 bzw.
das zugehörige Flußdiagramm abgestimmt ist.
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In Figur 1 sind zwei Ausführungsbeispiele zur Abspeicherung von Tabellenwerten
zur Änderung der Ausgangs charakteristik eines Sensorsignals gemäß dem Stand der
Technik dargestellt.
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In Figur 1a ist eine Kennlinie aufgetragen, die die Zuordnung zwischen
den auszulesenden Tabellenwerten MTAB und den digitalisierten Sensorsignalen UAD
darstellt. Im vorliegenden Spezialfall der Figur la beinhaltet der Wertevorrat des
digitalisierten Sensorsignals 256 verschiedene Werte, da zur Wandlung ein 8-Bit-Wandler
eingesetzt wurde.
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Dementsprechend stehen auch nur 256 auszulesende Tabellenwerte MTAB
zur Verfügung, wobei im vorliegenden Fall ein LSB (Least Significant Bit) der Tabellenwerte
MTAB der physikalischen Größe 4 kg/h entspricht. Aufgrund der im vorliegenden Spezialfall
sehr flachen Steigung der Kennlinie im unteren Wertebereich des digitalisierten
Sensorsignals UAD ergibt sich eine sehr schlechte relative Auflösung, so daß eine
Weiterverarbeitung der Tabelle werte MTAB im unteren Kennlinienbereich zu recht
hohen Fehlern führt.
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In Figur lb ist eine Möglichkeit dargestellt, die dargestellten Probleme
auf herkömmlicher Art durch einfache Erweiterung des Speicherplatzes und eine erheblich
verfeinerte Digitalisierung des Sensorausgangssignals zu umgehen. Im dort dargestellten
Fall kann der Wertevorrat des Sensorausgangssignals aus maximal 14096 verschiedenen
Werten bestehen, da hier zur Digitalisierung ein 12-Bit-Wandler eingesetzt wurde.
Dementsprechend ist auch die Speicherkapazität um einen Faktor 16 auf 4096 Werte
zu
erweitern, so daß sich die relative Genauigkeit in bezug auf den gleichen physikalischen
Wert des Sensorsignals ebenfalls um einen Faktor 16 erhöht. Allerdings ist durch
dieses Verfahren ein erheblich größerer Aufwand in bezug auf den Digital/Analog-Wandler
und die Speichermittel nötig, so daß sich die Kosten sowie der Platzbedarf einer
derartigen Anordnung um einiges .erhöhen. Darüber hinaus liegt im oberen Wertebereich
des digitalisierten Sensorsignals UAD eine eine derartig hohe Auflösung vor (besser
als 10 ), die in der Regel nicht mehr der Meßgenauigkeit des Sensors auf dis Größenordnung
(10 ) entspricht.
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In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung der Tabellenwerte dargestellt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Wertebereich des digitalisierten Sensorsignals
von 256 Werten (8-Bit-Wandler) in drei Bereiche mit den oberen Grenzen UAD1, UAD2
und UAD = 256 unterteilt. In den einzelnen Bereichen werden die durch die gestrichelt
dargestellte Linie gekennzeichneten ursprünglichen Kennfeldwerte mit jeweils einem
Faktor in der Weise beaufschlagt, daß sie möglichst weitgehend den Wertebereich
der Tabellenwerte MTAB von 256 vollkommen überstreichen. So werden z.B.
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die Tabellenwerte im Bereich 1 - UAD C- UAD1 mit einem Faktor 16,
die Tabellenwerte im Bereich UAD1 = UAD = UAD2 mit vier und die Tabellenwerte im
Bereich UAD2 = UAD = UAD = 256 mit dem Faktor 1 beaufschlagt.
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Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Wertebereich der Tabellenwerte
MTAB für jeden Bereich in optimaler Weise gespreizt.
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Die Anzahl der unterschiedlichen Bereiche und der bereichsabhängige
Skalierungsfaktor zur optimalen Spreizung des Wertevorrates ist nicht auf das hier
angegebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann von Fall zu Fall
variieren.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, eine Bereichsunterteilung in mehr oder weniger
als drei Bereiche mit einer feineren oder gröberen Abstufung der Skalierungsfaktoren
durchzuführen. Die spezielle Wahl liegt jeweils im Ermessen des zuständigen Fachmanns
und kann von ihm im Rahmen dieser Erfindung ohne eigenes erfinderisches Zutun für
den betreffenen Spezialfall durchgeführt werden.
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Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, eine Abstufung der bereichsabhängigen
Skalierungsfaktoren in der Weise durchzuführen, daß sich die Skalierungsfaktoren
von Bereich zu Bereich um solche Faktoren voneinander unterscheiden, die durch Potenzen
von 2 darstellbar sind. Eine durch diese Forderung eingeschränkte Auswahl der Skalierungsfaktoren
kommt in hohem Maße der digitalen Bearbeitung der Signale in einem Mikrocomputer
entgegen.
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Trifft man nun die Zuordnung zwischen einem LSB des Tabellenwertes
MTAB und der entsprechenden physikalischen Größe, daß nämlich 1 LSB 0.25 kg/h entspricht,
so c c stimmt die Zuordnung nur im Bereich UAD = 1 = UAD - UAD1 mit der Zuordnung
gemäß der Figur 1a überein. Die Zuordnung im Bereich 2 und 3 der Figur 2 ist um
einen Faktor 4 (Bereich 2) bzw. einen Faktor 16 (Bereich 3) in bezug auf die gewünschte
Zuordnung entsprechend Figur 1a falsch. Dieses Problem kann jedoch dadurch beseitigt
werden, daß die ausgelesenen Tabellenwerte MTAB je nach Bereich mit einem bereichsabhängigen
Anpassungsfaktor verknüpft werden, derart, daß das Produkt aus Skalierungsfaktor
und Anpassungsfaktor einen bereichsunabhängigen Wert annimmt. Für das vorliegende
Ausführungsbeispiel bedeutet dies, daß die Tabellenwerte MTAB aus Bereich 2 der
Tabelle mit einem Anpassungsfaktor 4 und die Tabellenwerte MTAB aus dem dritten
Bereich der Tabelle mit einem Anpassungsfaktor 16 multipliziert werden, so daß das
Produkt aus Skalierungsfaktor und
Anpassungsfaktor den bereichsunabhängigen
Wert 16 annimmt.
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Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß die Zuordnung zwischen
ausgelesenem Tabellenwert MTAB und der betreffenden physikalischen Größe wieder
hergestellt ist und gleichzeitig eine wenigstens in den unteren Tabellenwertbereichen
erhöhte relative Auflösung gegeben ist.
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In Figur 3 ist dargestellt, wie diese Zuordnung nach Auslesen der
Tabellenwerte und Verknüpfung mit dem Anpassungfaktor aussieht. Im Bereich 1 entspricht
ein LSB 0,25 kg/h, so daß eine maximale relative Auflösung von etwa 4 Promille gegeben
ist (gegenüber etwa 5 % beim betreffenden Tabellenwert der Figur 1a. Im Bereich
2 entspricht ein LSB durch die Anbringung des Anpassungsfaktors 1 kg/h. Auch hier
beträgt natürlich die maximale relative Auflösung ca. 4 Promille (gegenüber etwa
1,5 % beim betreffenen Wert der Figur la).
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Schließlich entspricht ein LSB im Bereich 3 durch die Anbringung des
Anpassungsfaktors 8 kg/h, so daß der angestrebte Maximalwert von 1024 kg/k bei 256
Bit Wertevorrat erreicht wird.
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In Figur 4 ist ein Ausschnitt aus einem Flußdiagramm zur Anbringung
des bereichsabhängigen Anpassungsfaktor an die ausgelesenen Tabellenwerte dargestellt.
In zwei Abfragen entsprechend der Bereichsunterteilung im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in drei Bereiche wird abgefragt, ob der Wert UAD des digitalisierten Sensorsignals
oberhalb der Bereichsgrenze UAD1 bzw. UAD2 liegt und entsprechend dem Ergebnis der
Abfrage ein Anpassungsfaktor gemäß der Bedingung, daß das Produkt aus Skalierungsfaktor
und Anpassungsfaktor einen bereichsunabhängigen Wert annehmen soll, angebracht.
Um eine Verbesserung der relativen Genauigkeit in den einzelnen Bereichen der Tabellenwerte
zu erhalten, ist es natürlich
erforderlich, daß das Produkt aus
dem Skalierungsfaktor und dem Anpassungsfaktor einen Wert > 1 annimmt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt das Produkt den Wert 16
an, andere Werte sind natürlich möglich und liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
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Ist zwischen den einzelnen Tabellenwerten noch zusätzlich eine Interpolation
zur Erhöhung der Genauigkeit vorgesehen, so erzielt man auch mit derartigen Interpolationsroutinen
den gleichen Vorteil wie oben, wenn die Interpolationsstützstellen mit umschaltbaren
Skalierungsfaktoren abgelegt werden. Es hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen,
die Umschaltstützstellen jeweils im alten und im neuen Maßstab nacheinander abzulegen,
da andernfalls die Funktionsfähigkeit der Interpolationsroutine nicht immer gewährleistet
ist. Bezogen auf das Ausführungsbeispiel der Erfindung heißt dies beispielsweise,
daß für den Wert UAD1 des digitalisierten Sensorsignals in der Tabelle ein Wert
MTAB1 sowie ein zweiter Wert im neuen Maßstab (MTAB1) /4 abgelegt werden. Ansonsten
gilt nach ausgeführter Interpolation das Flußdiagramm der Figur 4.
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Insgesamt ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Änderung
der Ausgangscharakteristik eines Sensorsignals eine erhöhte relative Genauigkeit
in der Weiterverarbeitung bei im wesentlichen unverändert gebliebenen Speicherplatz.
Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf Ausgangssignale eines Luftmengenmessers,
wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, beschränkt, sondern kann für jede Art von
Sensor unter Berücksichtigung der speziellen Signalcharakteristik des Sensors eingesetzt
werden. Die Wahl der Anzahl der Tabellenbereiche und der Werte der bereichs abhängigen
Skalierungsfaktoren und Anpassungsfaktoren bleibt dem jeweiligen Fachmann bei der
Lösung des in Frage kommenden Problems überlassen.
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Daher stellt die Beschreibung der Erfindung im Ausführungsbeispiel
keine Einschränkung des Erfindungsgedankens dar.
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