DE3943386A1

DE3943386A1 - Verfahren zur selbstkalibrierung von messsystemen

Info

Publication number: DE3943386A1
Application number: DE19893943386
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Ing Horn; Werner Prof Dr Sc Tech Richter; Karl-Heinz Dr Ing Haase
Original assignee: LEIPZIG TECH HOCHSCHULE
Current assignee: LEIPZIG TECH HOCHSCHULE
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1989-12-27
Publication date: 1990-07-05
Also published as: DD278642A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibrierung von Maßsystemen im Labor und in der Industrie, bei dessen Anwendung die Meßgröße während des Kalibriervorganges nicht abgeschaltet werden muß.

Die immer höheren Ansprüche der Labor- und industriellen Parxis an die Genauigkeit von Meßsystemen für die verschie densten Meßgrößen macht in zunehmendem Maße eine ständige Kontrolle der Kalibrierung dieser Geräte notwendig. Aus die ser Notwendigkeit heraus wurden die verschiedensten Varian ten zur automatischen, in kurzen Zeitabständen durchführba ren Selbstkalibrierung für viele Meßgrößen und Anwendungs bereiche entwickelt, wie z. B. von Breimesser, F.: Zuverlässige re Meßeinrichtungen durch Eigentests und automatische Korrek tur in VDI-Berichte 566 (1985) S. 353-362 und Wagner F. E.; Miramahdi, A.: Automatische Kalibrierung - Ein neues Verfah ren zur Korrektur systematischer Fehler in Meßsystemen mit linearer Kennlinie in Technisches Messen Bd. 46 (1979) H. 1, S. 15-19 beschrieben wird.

Allen diesen selbstkalibrierenden Meßsystemen ist das Verfah ren gemeinsam, daß beim Auftreten von unbestimmten Offset größen das Meßsystem zur Kalibrierung mit zwei Referenzwer ten der Meßgröße beaufschlagt werden muß. Dazu muß die Meß größe abgeschaltet werden, was aus Birkle. M.: Methoden für rechnerunterstütztes Messen in Messen Prüfen Automatisieren März 1987, S. 128-132 zu entnehmen ist.

In den meisten Fällen wird der durch Abschalten der Meßgröße ermittelte Nullpunkt als ein Referenzwert und ein zusätzlich zur Meßgröße aufgegebener Referenzwert zur Kalibrierung benutzt. Nur in den Fällen, in denen damit gerechnet wird, daß keine meßwertverfälschenden Offsetgrößen auftreten, kann aus die Abschaltung des Meßwertes verzichtet werden. Dazu wird der Meßwert mit einem meist elektrischen, thermi schen oder optischen Testsignal bekannter Größe überlagert (vgl. Freimesser, F.: Konzepte für Eigentests und automatische Korrekturen in Meßeinrichtungen in Technisches Messer 53 (1986) H. 4, S. 133-137). Der Vorgang der Selbstkalibrierung bezieht sich nach Herold, H.: Kompromisse von Genauigkeit, Grenzfrequenz, Dauer und Häufigkeit bei der automatischen Selbstkalibrierung in msr 30 (1987) H. 9, S. 394-397 dann nur auf den Übertragungsfaktor des Meßsystems.

Bei Olsowski, W.: Automatisches Kalibriersystem für Betriebs analysengeräte in Technisches Messen 53 (1986) H. 1., S. 10-16 und Humpert, H.-M.; Muras, G.: Nullpunktstabilität elektrome chanischer Waagen, IX. Ungarisches Wägetechnisches Kollo quium Szeged 1987 S. 90-96 wird festgestellt, daß die durch Offsetfehler entstehenden Meßunrichtigkeiten infolge viel fältiger Umwelteinflüsse und Alterung aber bei der Mehrzahl der bekannten Meßsysteme wesentlich größer sind als die durch Fehler des Übertragungsfaktors verursachten, zumal Offsetfehler bereits am Meßbereichsanfang voll wirksam werden.

Daraus erfolgt sich die Notwendigkeit der Kontrolle des Null punktes.

Nach Birkle, M.: Methoden für rechnergestütztes Messen in Messen Prüfen Automatisieren März 1987, S. 128-132 und Breimesser, F.: Zuverlässigere Meßeinrichtungen durch Eigen test und automatische Korrektur in VDI-Berichte 566 (1985), S. 353-362 ist aber in vielen Fällen die dazu unbedingt not wendige Abschaltung und anschließende Anschaltung der Meß größe fehlerbehaftet, mit hohem Aufwand verbunden oder völlig unmöglich.

Diesem Umstand Rechnung tragend, wurde von der Siemens-AG in der DE 37 05 900 ein Verfahren zur Selbstüberwachung von Meß wertaufnehmern angemeldet. Nach diesem Verfahren ist die Kalibrierung des Übertragungsfaktors, jedoch keine Kontrolle des Nullpunktes ohne Abschaltung der Meßgröße möglich.

Ziel der Erfindung ist es, den Anwendungsbereich von Verfah ren der Selbstkalibrierung auf die Messungen auszudehnen, bei denen die Abschaltung der Meßgröße vom Meßsystem mit Ungenauigkeiten behaftet, mit großem Aufwand verbunden oder unmöglich, aber die Kontrolle des Nullpunktes unbedingt not wendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Selbstkali brierung von Meßsystemen zu entwickeln, bei dessen Anwendung die Meßgröße ständig am Eingang des Meßsystems anliegen kann, das aber trotzdem die Ermittlung und Korrektur meßwertver fälschender driftender Offsetgrößen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teilübertragungsfaktor definiert variiert wird. Die Größe der dadurch entstehenden Variation des Gesamtübertragungs faktors kann durch Anlegen einer Referenzmeßgröße zusätzlich zur ständig anliegenden Meßgröße bestimmt werden.

Zur Variation, d. h. zur definierten Modulation oder Um schaltung sollte ein in der Übertragungskette weit vorn lie gender Teilübertragungsfaktor benutzt werden. Durch diese Maßnahme und durch die Auswertung des dadurch entstehenden modulierten bzw. zwischen zwei Zuständen umgeschalteten Ausgangssignals zur Meßwertbestimmung wird die Wirkung aller unbestimmt driftenden Offsetgrößen, die in der Übertra gungskette hinter dem Teilübertragungsglied mit dem variier ten Übertragungsfaktor liegen, eliminiert.

Die Messung erfolgt entweder durch ständige Variation unab hängig von Offsetdriften, oder die aktuellen Offsetgrößen werden durch zyklische Variation bestimmt und bis zum näch sten Kalibriervorgang zur Offsetkorrektur benutzt.

Die Genauigkeit des Verfahrens hängt nur von der Genauigkeit der Änderung des Übertragungsfaktors ab.

In den Fällen, in denen auch die Größe der Änderung des Übertragungsfaktors fehlerbehaftet ist, kann diese genau ermittelt werden.

Dazu wird das Meßsystem zusätzlich zur anliegenden Meßgröße und zusätzlich zur Variation des Übertragungsfaktors mit einer Referenzmeßgröße beaufschlagt. Aus dem so entstehenden Ausgangssignal kann die Größe der Änderung des Übertragungs faktors und daraus die Größe des Meßwertes mit der Genauig keit der Referenzgröße, d. h. unabhängig von driftenden Off setgrößen und Übertragungsfaktoren ermittelt werden.

Die Ausführungsbeispiele werden an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Kippsensor zur Überwachung der Stand sicherheit hoher Bauwerke. Dieser besteht aus einem Pendel. Eine Pendelmasse 1 hängt an einem elastischen Verformungs körper 2, der bei Kippung durch die angehängte Masse verformt wird. Diese Verformung wird in bekannter Weise auf Dehnungs meßstreifen 3 übertragen, die ein nach entsprechender Ver stärkung äußerst empfindliches elektrisches Signal bei Kippung des Sensors abgeben. Problematisch ist hier die über die Zeiträume von Jahren geforderte Stabilität des Nullpunk tes der hohen elektrischen Verstärkung, vor allem aber die Stabilität des Nullpunktes der ersten Übertragungsstufen; so wohl der Verformungskörper als auch die Dehnungsmeßstreifen- Applikation neigen zu Langzeitnachwirkungen, die durch Ver setzungsbewegungen, Umkristallisationen, Platzwechselvor gänge u. ä. bedingt sind und zu Offsetdriften führen. Eine Ab schaltung der Meßgröße "Lage des Sensors zur Senkrechten" ist nicht möglich. Der in der Meßkette vor dem Auftreten von Materialnachwirkungen liegende Teilübertragungsfaktor wird durch die die Pendelmasse anziehende Gravitation gebildet. Die Kippung des Sensors ist die Verformung der Dehnungsmeß streifen der Gravitationskraft proportional; in der Nullage des Sensors entsteht durch Änderung dieser senkrecht wirken den Kraft keine Änderung des Ausgangssignals. Diese Unemp findlichkeit des Ausgangssignals gegenüber Änderungen des Übertragungsfaktors in der Nullage ist unabhängig von etwa vorhandenen Offsetverschiebungen infolge Alterung oder Tem peratur der Applikation oder des Verstärkers.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das in der definierten Ände rung des Übertragungsfaktors besteht, wird im betrachteten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, daß die das Pendel bei Kippung auslenkende Kraft definiert verändert wird, in dem die Pendelmasse in einem Gefäß aufgehängt und dieses Ge fäß mit bekannten Mitteln mit einer geeigneten Flüssigkeit 4 geflutet wird: Die entstehende Auftriebskraft der Masse in der Flüssigkeit wirkt der Schwerkraft entgegen, so daß der durch diese bestimmte Teilübertragungsfaktor definiert ver ringert wird. Die Flutung erfolgt durch einen mit einem Ma gneten 5 angetriebenen Verdrängungskörper 6.

Der Ablauf der im Hauptanspruch beanspruchten Verfahrens schritte erfolgt in diesem Beispiel so, daß

- die unbekannte Meßgröße Kippung x mit dem durch die Schwer kraft gegebenen Übertragungsfaktor k ₁ bei unbekannter Off setgröße b gemessen wird, so daß sich der Meßwert y ₁ = k ₁ · x + b ergibt,
- die unbekannte Meßgröße Kippung x mit dem durch die Diffe renz aus Schwerkraft und Auftriebskraft gegebenen Übertra gungsfaktor k ₂ und der Offsetgröße b gemessen wird, so daß sich der Meßwert y ₂ = k ₂ · x + b ergibt,
- mit dem in das Gerät integrierten Rechner die unbekannte Kippung nach der Beziehung x = (y ₂ - y ₁)/(k ₂ - k ₁)berechnet und ausgegeben, oder die unbekannte Offsetgröße b durch die Beziehungb = y ₁ + (y ₁ - y ₂) · k ₁/(k ₂ - k ₁)berechnet und bis zur nächsten Nullpunktkontrolle zur Kor rektur benutzt wird.

Fig. 2 stellt die Messung der Konzentration von Flüssigkei ten oder Gasen mit optischen Methoden dar:

Die zu messende Konzentration c wird zunächst mit dem Über tragungsfaktor k ₁ in einen Transmissionsgrad T des durch strahlten Volumens, der Transmissionsgrad mit k ₂ in eine Lichtintensität I _x und die Lichtintensität mit k ₃ in eine elektrische Spannung U gewandelt. Diese Wandlungen werden durch Offsetgrößen verfälscht: Durch Verschmutzung, Tempera turabhängigkeiten und Alterung ändert sich der Transmis sionsgrad; bei c = 0 wird der scheinbare, sich ändernde Trans missionsgrad T ₀ gemessen. Schwankungen der Lampenspannung und Alterung ändern den Offsetbetrag der Lichtintensität I _x ₀, und durch Alterung und Temperaturabhängigkeiten elek tronischer Eigenschaften entstehen Änderungen der Offset spannung des Verstärkers U ₀.

Bei bekannten Methoden werden durch Differenzbildung mit ei nem durch eine Vergleichsküvette geleiteten Referenzstrahl Schwankungen der Strahlerintensität und der Sensorempfind lichkeit am Nullpunkt, bei Quotientenbildung im Meßbereich eliminiert. Will man den Einfluß von Verschmutzungen der Kü vetten beseitigen, ohne auf ein Medium der Konzentration c = 0 um-, und damit die Meßgröße vom Eingang des Meßgerätes ab zuschalten, muß der Teilübertragungsfaktor der ersten Über tragungsstufe variiert werden. Dieser hängt vom Extinktions koeffizienten und von der Dicke der durchstrahlten Schicht ab. Wenn die Verschmutzungen aus der zu messenden Stoffkom ponente bestehen, d. h. wenn die Offsetverschiebung des Trans missionsgrades wellenlängenabhängig ist, muß die Schicht dicke variiert werden.

- die unbekannte Meßgröße Konzentration C mit dem bei der Kü vettenlänge L ₁ gegebenen Übertragungsfaktor k ₁₁ bei un bekannter Offsetgröße b gemessen wird, so daß sich der Meß wert y ₁ = k ₁₁ · k ₂ · k ₃ · c + b ergibt,
- die unbekannte Meßgröße Konzentration c mit dem bei der Kü vettenlänge L ₂ gegebenen Übertragungsfaktor k ₁₂ bei un bekannter Offsetgröße b gemessen wird, so daß sich der Meß wert y ₂ = k ₁₂ · k ₂ · k ₃ · c + b ergibt,
- mit dem in das Gerät integrierten Rechner die unbekannte Konzentration c nach der Beziehung c = (y ₂ - y ₁)/(k ₁₂ · k ₂ · k ₃ - k ₁₁ · k ₂ · k ₃)berechnet und ausgegeben, oder die unbekannte Offsetgröße b durch die Beziehungb = y ₁ + (y ₁ - y ₂) · k ₁₁/(k ₁₂ - k ₁₁)berechnet und bis zur nächsten Nullpunktkontrolle zur Kor rektur benutzt wird.

Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft Leitfähigkeits messungen, wie sie zur Bestimmung des Salzgehaltes von Hochdruckkesselspeisewasser u. ä. verwendet werden.

Die Leitfähigkeit wird als elektrische Spannung, die über dem Widerstand der Meßzelle oder über einem Reihenwiderstand abfällt abgebildet. Diese Abbildungsgröße wird aber durch Polarisationseffekte, die zeit- und stromdichteabhängig sind und durch Verschmutzungen verfälscht. Soll der Null punktfehler ohne Abschalten der Meßgröße, d. h. ohne Einlei ten eines Mediums mit einer Referenzleitfähigkeit beseitigt werden, muß der durch die Zellenkonstante beschriebene Über tragungsfaktor der Meßeinrichtung variiert werden.

Zur Variation des Übertragungsfaktors wird der mittlere Elektrodenabstand variiert.

Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren wird analog zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2 die Zellenkonstante zwischen zwei Werten variiert. Die zugehörigen Meßwerte sind nach den angegebenen Verfahrensschritten zur Korrektur des Nullpunktfehlers zu benutzen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Pendelmasse
2 elastischer Verformungskörper
3 Dehnungsmeßstreifen
4 Flüssigkeit
5 Magnet
6 Verdrängungskörper
c Konzentration von Flüssigkeiten oder Gasen
k ₁ Übertragungsfaktor
k ₂ Übertragungsfaktor
k ₃ Übertragungsfaktor
T Transmissionsgrad
T ₀ Offsetbetrag des Transmissionsgrades
I _x Lichtintensität
I _x ₀ Offsetbetrag der Lichtintensität
U elektrische Spannung
U ₀ Offsetspannung des Verstärkers

Claims

1. Verfahren zur Selbstkalibrierung durch Teilübertragungs faktoren charakterisierter Meßsysteme zur kontinuierlichen Messung vorzugsweise physikalischer, chemischer oder bioche mischer Meßgrößen ohne Abschaltung der Meßgröße (x) während der Kalibriervorgänge, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsfaktor des Meßsystems definiert variiert wird, wobei

- die unbekannte Meßgröße (x) bei anliegender unbekannter Off setgröße (b) gemessen wird, wobei der Übertragungsfaktor (k) des Meßsystems auf den Wert (k ₁) eingestellt wurde, so daß sich der Meßwert y ₁ = k ₁ · x + b ergibt,
- die unbekannte Meßgröße (x) bei anliegender unbekannter Off setgröße (b) gemessen wird, wobei der Übertragungsfaktor (k) des Meßsystems auf den Werk (k ₂) eingestellt wurde, so daß sich der Meßwert y ₂ = k ₂ · x + b ergibt,
- mit bekannten Mitteln die unbekannte Meßgröße (x) oder der unbekannte Offsetfehler (b) nach den Beziehungen b = y ₁ + (y ₁ - y ₂) · k ₁/(k ₂ - k ₁)x = (y ₂ - y ₁)/(k ₁ - k ₂).bestimmt wird und
- mit bekannten Mitteln die Meßgröße (x) ausgegeben oder die Offsetgröße (b) zur Korrektur des Offsetfehlers benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation des Übertragungsfaktors so erfolgt, daß vor zugsweise der Teilübertragungsfaktor eines in der Meßkette am Meßgrößeneingang liegenden Übertragungsgliedes in seinem Wert definiert verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Veränderung des Teilübertragungsfaktors durch Modulation erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Veränderung des Teilübertragungsfaktors durch Umschaltung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anschaltung einer Referenzmeßgröße (r) zusätzlich zur Meßgröße (x) und zusätzlich zur definierten Umschaltung der durch die entsprechenden Schaltzustände hinreichend charak terisierten Übertragungsfaktoren insgesamt vier Meßwerte (y ₁ bis y ₄) gewonnen werden, für die gilt: y ₁ = k ₁ · x + b
y ₂ = k ₁ · (x + r) + b
y ₃ = k ₂ · (x + r) + b
y ₄ = k ₂ · x + b,woraus die Werte der Übertragungsfaktoren (k ₁ und k ₂), des Offsetfehlers (b) und der Meßgröße (x) mit bekannten Mitteln durch die Beziehungenk ₁ = (y ₂ - y ₁)/r
k ₂ = (y ₃ - y ₄)/r
b = y ₁ + (y ₁ - y ₄) · k ₁/(k ₂ - k ₁)
x = (y ₄ - y ₁)/(k ₂ - k ₁)bestimmt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Größe der Änderung des Teilübertragungs faktors Δ k = k ₁ - k ₄ zur Bestimmung der Meßgröße verwendet wird nach der Beziehung x = (y ₁ - y ₄)/Δ k.