DE3628178A1 - Verfahren zur linearisierung der kennlinie einer messgroesse und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Linearisierung der Kennlinie einer Meßgröße nach Anspruch 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Um eine möglichst fehlerfreie Temperaturmessung mittels Quo­ tientenpyrometer zu erreichen, müssen Geräteoffset und Fremd­ lichteinflüsse durch "Kaltmessung" am Meßort ermittelt und während der Messung subtrahiert werden. Eine zusätzliche Sicherheit bietet eine interne Eichlampe, welche ggf. eine Verschiebung der Eichkurve zur Folge hat.

Nichtlineare Kennlinienverläufe von Meßgrößen sind gar nicht so ungewöhnlich, aber sehr störend. Bei Analoganzeigen hat man sich mit Eichen der Skalen behelfen können. Bei numeri­ scher Meßwertverarbeitung ist eine vorherige Linearisierung geradezu unumgänglich.

Aus der Schaltungstechnik sind kombinierte Knickstufen be­ kannt, welche für einen einzigen funktionalen Zusammenhang die lineare Darstellung der Meßgröße erzeugt. Diese Art der Linearisierung ist sehr aufwendig und läßt keine exakte Nä­ herung zu.

Bekannt ist auch die Linearisierung durch Ablegen von Wert­ zuweisungen in E-PROMs. Der Analogwert wird durch einen ADC konvertiert. Das digitale Wort ist die Adresse, unter welcher der der Linearisierung entsprechende Ausgangswert gespeichert ist. Dieser Wert wird mit einem DAC in einen Analogwert zurückgewandelt. Es lassen sich mit diesem Verfahren sehr viel genauere Näherungen erreichen.

Bei einer Modifikation dieses Verfahrens wird nur der Korrek­ turwert im E-PROM abgelegt und zum analogen Meßwert addiert. Dadurch wird die benötigte Bit-Zahl am Ausgang des E-PROMs vermindert. Diese Lösungen des Linearisierungsproblems eignen sich nur für einen bleibenden funktionalen Zusammenhang.

Flexibler aber für die meisten Anwendungsfälle zu langsam ist die mathematische Erfassung des Kurvenverlaufes und die stän­ dige Berechnung der Meßgröße aus dem Meßsignal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine an verschie­ dene Arten von Meßobjekten anpaßbare Linearisierung des Aus­ gangssignals eines Quotientenpyrometers zu realisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der im kennzeich­ nenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung desselben an.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet in vorteilhafter Weise die schnelle Konversion eines PROMs als direktes Über­ tragungsglied mit dem flexiblen Austausch der Konversions­ werte mittels Mikrokontroller als Rechenglied.

Für unterschiedliche Linearisierungsfunktionen müssen nicht mehr die E-PROMs ausgewechselt werden. Es genügt die Konver­ sionswerte der Linearisierungsfunktionen aufzurufen und in die RAMs oder E2-PROMs abzulegen. Ebenso können mit dieser Anordnung selbständig Eichprozeduren gesteuert und daraus eigene Linearisierungsfunktionen gebildet werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mittels der Fig. 1 bis 4 beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 die Übertragungsglieder einer Meßkette,

Fig. 2 das Flußdiagramm für einen Meßablauf mit einem Meßwert,

Fig. 3 das Blockschaltbild mit den Bauteilen der linearisie­ renden Übertragungsglieder der Meßkette,

Fig. 4 das Flußdiagramm für einen Meßablauf mit zwei Meß­ werten.

Zu Fig. 1
Die einfachste Anordnung zur Linearisierung besteht aus einem A/D-Umsetzer 6 für die Analogdigitalwandlung, einem RAM als linearisierendes Übertragungsglied 1 und einem D/A-Umsetzer 12 für den linearen Signalausgang. Ein Mikrokontroller 2 oder Mikrorechner mit einem E-PROM als Materialbibliothek 5, in dem die mathematischen Formeln und Parameter oder die Kon­ versionswerte gespeichert sind, der für die Programmierung des linearisierenden Übertragungsgliedes 1 RAM dient. Für eine bestimmte Meßaufgabe wird nun der passende Formalismus aufgerufen oder berechnet und in das RAM abgelegt.

Zur Inbetriebnahme werden entweder die im E-PROM 5 des Mikro­ kontrollers 2 abgelegten Parameter oder Werte der Linearisierungsfunktion nach Berechnung oder direkt in das RAM des Linearisierungsteils 1 übertragen. Damit ist das System für den gewählten Anwendungsfall betriebsbereit.

Die nichtelektrische Meßgröße 3 wird mittels Aufnehmer 3 a in ein elektrisches Meßsignal umgesetzt und in einer Anpaß­ schaltung 3 b auf einen normierten Gleichspannungswert ge­ bracht, damit der nachfolgende A/D-Umsetzer 6 optimal ausge­ legt werden kann. Das digitalisierte Signal wird in Echtzeit­ verarbeitung über ein diskretes Übertragungsglied 1 mit einer linearisierenden Kennlinie geleitet und digital weiterverar­ beitet oder mittels D/A-Umsetzer wieder in eine analoge Ziel­ größe umgesetzt.

Das Flußdiagramm für einen solchen Meßablauf ist in Fig. 2 dargestellt.

Soll eine nicht im E-PROM vorhandene Linearisierungsfunktion erstellt werden, so geschieht dies mit Hilfe des externen 16- Bit-Anschlusses zur Steuerung der Strahlungsquelle und dem Analogdigitalumsetzer als Meßwertverarbeitung.

Die anhand der Fig. 1 beschriebene Einrichtung ermöglicht u.a. funktionelle Zusammenhänge vor der eigentlichen Messung vorzubereiten und verkürzt durch die schnellen Zugriffs­ zeiten zu den Speicherbauteilen die gesamte Rechenzeit erheb­ lich. Dies wird bei einer Verknüpfung von zwei Meßwerten ausgenutzt, bei welchem einerseits eine Linearisierung wie im Beispiel nach Fig. 1 und 2 erforderlich ist, darüber hinaus aber noch die gesamte Meßwertverarbeitung in einem begrenzten Zeitraum erledigt werden muß. Dies bedeutet bei einer Ver­ knüpfung zweier Meßsignale wie z.B. bei einer "Zwei-Farben- Version" eines Quotientenpyrometers zwei 14-Bit Subtrak­ tionen, zwei Mittelwertbildungen, eine Division und die an­ schließende Linearisierung des Quotienten pro Meßzyklus. Bei 50 Hz Meßfrequenz sind dies 20 ms.

Eine solche Lösung war in der Vergangenheit mit dem Einsatz nur eines Mikroprozessors nicht möglich.

Die Betriebszustände des Linearisierens können in drei Gruppen unterteilt werden:

• 1) Ermitteln der Linearisierungsdaten und Ablegen der Daten im Schreib-Lesespeicher.
• 2) Meßbetrieb.
• 3) Ermitteln einer Linearisierungsfunktion.

Im folgenden soll zu jeder Gruppe ein möglicher Ablauf anhand von Fig. 3 beschrieben werden:

• 1) Ermitteln und Ablegen der Linearisierungsdaten:
  Über das Terminal 17 wird das entsprechende Programm auf­ gerufen und im Dialog mit Parametern versorgt.
  Der Mikrokontroller 10 berechnet nun anhand der im EPROM 13 abgelegten Formel die Linearisierungsdaten.
  Diese Daten werden dann über den zweiten E/A-Block 9 in den Schreib-Lesespeicher 7 transportiert.
  Zuvor wird jedoch über den ersten E/A-Block 9 die zuge­ hörige Adresse an das RAM 7 ausgegeben.
  Um bei diesem Vorgang undefinierte und verbotene Betriebs­ zustände der Umsetzer 6, 12 zu vermeiden, werden diese zuvor in einen inaktiven Zustand gebracht.
  Nach Abschluß dieses Ladevorgangs werden die Umsetzer 6, 12 wieder aktiviert und die entsprechenden Signalleitungen der E/A-Blöcke 8, 9 in den inaktiven Zustand gebracht.
• 2) Meßbetrieb: (Meßablauf ohne Mikrokontroller) Der A/D-Umsetzer 6 wird zyklisch angestoßen, um die am Eingang anliegende Spannung zu digitalisieren. Nach Ablauf der Konversion liefert der A/D-Umsetzer 6 den entsprechenden Digitalwert an den Schreib-Lesespeicher 7 und generiert ein Ready-Signal.
  Das Ready-Signal bewirkt nun, daß der D/A-Umsetzer 12 den am Eingang anstehenden Digitalwert konvertiert.
  (Die RAM-Zugriffszeit kann gegenüber den Konversionszeiten vernachlässigt werden.)
• 3) Ermitteln einer Linearisierungsfunktion: Zur Ermittlung einer neuen Linearisierungsfunktion muß über den ersten Datenbus 11 schrittweise die Strahlungs­ quelle angesteuert werden.
  Der Mikrokontroller muß weiterhin bei jedem Schritt den vom A/D-Umsetzer 6 gelieferten Wert erfassen.
  Nach dem Ermitteln der Stützwerte kann die Linearisierungsfunktion numerisch aus den Wertepaaren bestimmt werden.
  Ist die Funktion bekannt, so können die Ausgabewerte für einen vorgegebenen Meßbereich bestimmt und im Schreib- Lesespeicher abgelegt werden.

Das Flußdiagramm für den Meßablauf mit zwei Meßwerten, die aus einem ersten Filter 20 und einem zweiten Filter 21 eines Quotientenpyrometers stammen könnten, zeigt Fig. 4.

• Bezugszeichenliste  1 diskretes Übertragungsglied
   2 Rechenglied
   3 a Aufnehmer
   3 b Anpaßschaltung
   4 Meßkette
   5 Materialbibliothek
   6 A/D-Umsetzer
   7 Schreib-Lesespeicher
   8 erster Ein-Ausgangs-Block
   9 zweiter Ein-Ausgangs-Block
  10 Mikrokontroller
  11 erster Datenbus
  12 D/A-Umsetzer
  13 E-PROM
  14 PAL-Dekoder
  15 Drucker
  16 zweiter Datenbus
  17 Terminal
  18 Display
  19 Zielgröße
  20 erstes Filter
  21 zweites Filter

Claims (7)

1. Verfahren zur Linearisierung der Kennlinie einer Meßgröße mittels eines diskreten Übertragungsgliedes in einer Meß­ kette, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskenn­ linie des diskreten Übertragungsgliedes (1) mittels eines Rechengliedes (2) abhängig von der Meßgröße (3) unter Berücksichtigung der während der Messung und von Messung zu Messung sich ändernden Übertragungseigenschaften der Meßkette (4) aktualisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien verschiedener Meßgrößen (3) in einer Material­ bibliothek (5) des Rechengliedes (2) gespeichert werden, vor dem Aktualisieren der Übertragungskennlinie des dis­ kreten Übertragungsgliedes (1) eine Kennlinie der Meßkette (4) ermittelt wird und die zur Aktualisierung der Übertra­ gungskennlinie aus der Materialbibliothek (5) entnommene Kennlinie der Meßgröße (3) mit der aktuellen Kennlinie der Meßkette (4) verknüpft wird, wobei die resultierende Kenn­ linie die aktuelle übertragungskennlinie darstellt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus einer Meßkette (4) mit einem Aufneh­ mer (3 a), einer Anpaßschaltung (3 b), einem A/D-Umsetzer (6) und einem diskreten Übertragungsglied (1), das eine die Liniearisierung bewerkstelligende Übertragungskenn­ linie aufweist, gekennzeichnet durch ein die Übertragungs­ kennlinie des diskreten Übertragungsgliedes (1) bestimmen­ des Rechenglied (2).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das diskrete Übertragungsglied (1) aus einem Schreiblese­ speicher (7) besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenglied (2) aus einem Mikrokontroller, Rechner, Mikrorechner, Prozeßrechner oder Funktions­ bildner aus PALs oder programmierbaren Logikanordnung besteht.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das diskrete Übertragungsglied (1) aus min­ destens einem RAM-Block (7) besteht, dessen Eingänge mit den Ausgängen des A/D-Umsetzers (6) der Meßkette (4) und mit einem ersten Ein-Ausgangs-Block (8) eines Mikrokon­ trollers verbunden ist und dessen Ausgänge mit einem zwei­ ten Ein-Ausgangs-Block (9) des Mikrokontrollers (10), einem ersten Datenbus (11) und bei Bedarf einem D/A- Umsetzer (12) verbunden sind.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mikrokontroller (10) ein E-PROM (13) als Programmspeicher und Materialbibliothek (5), einen PAL DEC (14) als Adreßdekodierer für die "Chip Select"-Signale und ein RAM als Arbeitsspeicher und Materialbibliothek (5) aufweist und einen Drucker (15) und einen Terminalanschluß (17) hat, dessen Datenbus (16) mit einem Display (18) verbunden ist.