DE69007108T2 - Digitales und programmierbares Mess- und Regelinstrument, insbesondere für nichtlineare Signale. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument, mit dem sich die bei der Analog-Digital-Umsetzung elektrischer Signale ergebenden numerischen Werte in Form numerischer Daten anzeigen lassen.
• Elektronische analoge wie auch digitale Meßgeräte bzw. -apparate dienen einer mehr oder weniger genauen Messung einer gewählten Größe (z.B. Volt, Ampère, usw.) im Zusamnenhang mit einem elektrischen Signal. Deshalb ist es bei Verwendung derartiger elektronischer Meßgeräte zur Messung anderer physikalischer Größen als elektrischer Größen (z.B. eines Drucks) erforderlich, einen entsprechenden Meßwandler zwischenzuschalten, der eine gegebene physikalische Größe in ein elektrisches Signal umsetzen kann.
• In der US-PS A-4 250 447 wird ein digitales Multimeter beschrieben, bei welchem ein Signal mit einigen festen Werten multipliziert und dann einer Anzeige zugeleitet wird, allerdings ist hierbei als Ausgangssignal kein Signal vorgesehen, daß analog sein oder dem Multimeter nachgeschaltete andere Instrumente ansteuern kann.
• In "IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement", Bd. IM-31 (1982), Nr. 4, S. 249 - 254, wird eine Linearisierung der Empfindlichkeit einer Hochfrequenzsonde mit elektrischem Feld, die von der Art eines Diodendetektors ist, beschrieben, die als Eingangssignal einen Polynom-Näherungswert vierter Ordnung der Eingangssignalkurve vorsieht; diese Lösung ist nicht sehr genau und kann besser im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden.
• In "Journal Physics E", Bd. 11, Nr. 6 (1978), S. 576 - 580, wird ein digitaler Linearisierer fur nichtlineare Meßwandler beschrieben, bei dem ein Rechner mit einem Rechenprogramm eingesetzt wird, welches das Eingangssignal in das gewünschte Ausgangssignal umsetzt: diese Lösung ist für den Einsatz im erfindungsgemäßen Bereich zu kostspielig.
• In der EP-A-0 186 635 wird ein Verfahren zur Impedanzmessung unter Heranziehung von einem oder mehreren Referenzwerten beschrieben, mit welchen der Wert der Eingangsimpedanz über ein EPROM-Element verglichen wird.
• In der EP-A-0 114 536 wird ein Meßinstrument mit mehreren Sonden beschrieben, bei welchem die verschiedenen Eingänge über ein Signal ausgewählt werden, das an einen Mikroprozessor mit unterschiedlichem Signalpegel übermittelt werden soll.
• Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß in den Fällen, in denen das elektrische Signal eine nichtlineare Funktion der betrachteten physikalischen Größe ist, die von solchen Instrumenten gelieferten Informationen sich nur mit Schwierigkeiten und nur dann auswerten lassen, wenn mit Hilfe bekannter Tabellen eine entsprechende Umwandlung vorgenommen wurde.
• Zum besseren Verständnis der vorstehenden Ausführungen zeigt Fig. 1 beispielhaft die Kurve der Charakteristik des von einer Meßwandlervorrichtung erzeugten elektrischen Signals als Funktion des verbleibenden Innendrucks innerhalb eines Gehäuses, z.B. einer Ionenpumpe, die als Unterdruckmesser eingesetzt wird, wobei die Kurve die zu messende Größe repräsentiert. Wie sich leicht erkennen läßt, schwanken die augenblicklichen Werte in nichtlinearer Weise bezüglich des Drucks, und die Ermittlung dieser Werte stellt eine indirekte Messung dar, die für einen Maschinenführer, der tatsächlich eine direkte Anzeige der Druckwerte benötigt, nur von geringem Wert ist.
• Während es jedenfalls bei einem analogen Instrument möglich ist, solchen Nachteilen durch entsprechende mit nichtlinearen Skalen bedruckte Skalenschelben Herr zu werden, auf deren Skaleneinteilungen sich die Werte der jeweils erfaßten Größe direkt ablesen lassen, statt der Anzeige des vom Instrument tatsächlich gemessenen elektrischen Signals, ist dies bei digitalen Instrumenten nicht möglich.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein programmierbares digitales Meßinstruuent zu schaffen, bei welchem sich der Pegel des elektrischen Eingangssignals in nach Wunsch programmierbarer Weise mittels Zahlen, Buchstaben oder alphanumerischen Zeichen anzeigen läßt, und das somit in der Weise programmierbar ist, daß es auch Daten anzeigt, die sich linear verändern, auch wenn sich das Eingangssignal gegenüber der zu messenden Größe in nichtlinearer Weise verändert.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein digitales und programmierbares Meßinstrument zu schaffen, mit dem sich mehrere Datenreihen speichern lassen, die verschiedenen Skalen für ein und dasselbe Eingangssignal entsprechen, um so das Instrument für einen erweiterten Einsatzbereich flexibler zu machen.
• Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden, wie sich aus der folgenden Beschreibung deutlich ergibt, mit einem digitalen und programmierbaren Meß- und Regelinstrument gelöst bzw. erreicht, wie es in Anspruch 1 umrissen wird. Weitere Ausführungsbeispiele werden in den Unteransprüchen beschrieben.
• Im folgenden wird nun zu rein illustrativen Zwecken ohne jede Einschränkung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, in welcher:
• Fig. 1 eine Kurve "A" zeigt, die eine typische Funktion für die Stromstärke in Abhängigkeit vom Druck innerhalb einer als Unterdruckmesser eingesetzten Ionenpumpe darstellt, wobei die Werte für die Stromstärke einer benachbarten Skala mit kodierten Zahlen in programmierharen Speichervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind;
• Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen digitalen und programmierbaren Meß- und Regelinstruments ist.
• Aus dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 wird ein analoges Signal, auch in Form eines nichtlinearen Signals, von einem Signalerzeuger 10 beliebiger Art, beispielsweise dem im Zusammenhang mit Fig. 1 genannten Unterdruckmesser, einem Analog-Digital-Umsetzer 20 zugeführt, der nach dem jedem Fachmann wohlbekannten Zwei-Rampen-Verfahren die Eingangsspannung in eine Folge von Impulsen umsetzt, die von Zählern innerhalb des Umsetzers selbst gezählt und an vier Ausgänge Q&sub0;, ... Q3 übermittelt werden.
• Darüberhinaus teilt der Analog-Digital-Umsetzer 20 das Eingangssignal in rund 4.000 Teile auf. Beispielsweise beträgt bei einem Signal im Bereich zwischen einem Mindestwert von - 10 mV und einem Höchstwert von + 10 mV jeder Teilungsschritt 0,005 mV, und jedem dieser Teilungsschritte können andere Daten zugeordnet werden, die später durch Verarbeitung mittels im folgender noch zu beschreibender elektronischer Bauteile auf eine Anzeige gebracht werden können.
• Diese Unterteilung gestattet die Anzeige sich linear verändernder Daten auf den in Fig. 2 gezeigten Anzeigen 40, 50, 60 und 70 auch dann, wenn sich das Eingangssignal auf ein Signal hezieht, das sich durch eine nichtlineare Kurve darstellen läßt, beispielsweise durch die in Fig. 1 abgebildete Kurve "A".
• Eine zusätzliche Funktion bietet der Analog-Digital-Umsetzer 20 mit dem Aktivieren der Kathoden auf den Anzeigen 40, 50, 60, 70 nacheinander, die in dieser Reihenfolge jeweils auf Einer, Zehner, Hunderter und Tausender bezogen sind, und zwar durch Zuführung eines positiven Spannungsimpulses.
• Neben der Übertragung dieses positiven sequentiellen Impulses zu den vorgenannten Kathoden der Anzeigen 40 bis 70 über die Leitung 25 gemäß Fig. 2, wird dieser Impuls auch über eine Leitung 35 den Takteingängen einer Vielzahl von Pufferspeichern bzw. temporären Speicherlementen 30 zugeführt.
• Bei einem bevorzugten Ausführugsbeispiel der Erfindung sind vier dieser Speicher 30 vorgesehen, und zwar einer für die Tausenderstellen, einer für die Hunderterstellen, einer für die Zehnerstellen und einer für die Einerstellen, wobei es sich bei diesen Speichern um integrierte D-Signal-Speicherschaltungen handelt und diese somit dadurch freigeschaltet oder gesperrt werden können, daß ein Taktsignal einen hohen bzw. niedrigen Pegel, bezogen auf ein konstantes positives Spennungssignal, aufweist.
• In der nachstehenden Tabelle 1 wird diese Situation noch genauer dargestellt: Tabelle 1 Taktsignalpegel Polarität Ausgang Q Daten zugeführt gesperrt
• Der Analog-Digital-Umsetzer 20 führt nacheinander die Ausgangsinformationen über die Tausender, dann die Hunderter, die Zehner und schließlich die Einerstellen zu.
• Diese Informationen werden mittels eines binären 4-Bit-Codes Q&sub0; ... Q&sub3; kodiert und dann an die Pufferspeicher 30 übermittelt.
• Entsprechend den Folgeimpulsen vom Analog-Digital-Umsetzer leitet jeder Speicher 30 die Daten von diesem zu einem Paar programmierbarer und löschbarer Festspeicher, die in der Technik als EPROM-Speicher bekannt sind, die zuvor bereits nach Wunsch programmiert wurden.
• Solche Speicher weisen eine ausreichend große Anzahl interner Adressen auf, damit vier Reihen bzw. Serien von Daten gespeichert werden können, zu denen vier verschiedene Skalen (z.B. in mV, mm Hg, Pa, Millibar oder anderen Hilfsskalierungen) gehören.
• Mit Hilfe eines Rechners können gegebene Werte entsprechend einer bekannten Gesetzmäßigkeit in den programmierbaren Speichern 80 und 90 erfaßt werden, wobei diese Werte von den programmierbaren Speichereinheiten 80 und 90 ausgegeben werden, wenn am Eingang die Speicheradresse der diesen Wert enthaltenden Speicherstelle eingeht.
• Zum besseren Verständnis der vorstehenden Erläuterungen wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher die Speichereinheiten 80 und 90 dem Pegelwert der Kurve "A", kodiert als 3.000, die Zahl E-6 (Torr) zuweisen, entsprechend dem Wert 1 10&supmin;&sup6; Torr, auf den sich die gemessene Stromstärke bezieht.
• Der programmierbare EPROM-Speicher 80 wird auch zur Anzeige der Einer- und Zehnerstellen herangezogen, während der Speicher 90 zur Anzeige der Hunderter- und Tausenderstellen dient.
• Die Auswahl einer der vier Skalen erfolgt mittels vier mit 85 und 95 bezeichneter Dip-Schalter. Je nachdem, ob sie geschlossen oder geöffnet sind, legen diese Schalter an den Eingang der programmierbaren Speicher 80 und 90 eines der vier möglichen binären Muster an, von denen jedes einer anderen Skala zugeordnet ist.
• Die Ausgangssignale der programmierten Speicher 80, 90 sind nun linearisiert und werden dann (als Einer- und Zehnerstellen) an die Eingänge einer zweiten elektronischen Schalteinrichtung 110 angelegt.
• Diese elektronischen Schalteinrichtungen bestehen aus integrierten Schaltungen, die unter der Bezeichnung ternäre Zwischenspeicherschaltungen bekannt sind.
• Die Übermittlung von Signalen über solche Schalter 100 bzw. 110 wird durch sequentielle Impulse aus dem Analog-Digital-Umsetzer freigegeben oder gesperrt, der als erstes den Durchlaß der höchstwertigen Bits, also der Tausenderstellen, und dann der Hunderter- und Zehnerstellen, und schließlich der niedrigstwertigen Bits in Form der Einerstellen gestattet und danach den Zyklus mit dieser Reihenfolge wieder aufnimmt.
• Solche sequentiellen Impulse sind in der vorstehend genannten Reihenfolge durch die Bezugszeichen 102, 104, 106, 108 in Fig. 2 angegeben.
• Die Ausgangssignale aus den elektronischen Schalteinrichtungen 100 und 110 werden einem elektronischen Element 120 zugeführt, das einen programmierbaren Dekodierer aufweist, der für die Anzeige der von den Schalteinrichtungen kommenden numerischen Daten ausgelegt ist und so programmiert werden kann, daß er entsprechend den vorstehend genannten numerischen Daten auch Buchstaben liefert.
• Die aus den programmierbaren Speicherelementen 80 und 90 kommenden und zu den Schalteinrichtungen 100 und 110 gesendeten digitalen Signale werden auch einem weiteren Paar programmierbarer Speicher (EPROM-Speicher) 130 und 140 zugeführt, die wegen einer entsprechenden Programmierung über eine mit dem Bezugszeichen 145 in Fig. 2 angegebene Leitung digitale Steuersignale den (nicht dargestellten) nachgeschalteten Betätigungseinrichtungen übermittelt, sowie einem Digital-Analog-Umsetzer 150 mit 12-Bit-Eingang, dessen analoges Ausgangssignal in Fig. 2 mit 155 angegeben ist und zum Regeln bzw. Steuern nicht dargestellter weiterer Vorrichtungen dient, weitere digitale Signale zuleitet.
• Darüberhinaus werden bei Bedarf die vier höchstwertigen Bits am Ausgang des programmierbaren Speichers 140 als Steuersignale für Alarmvorrichtungen eingesetzt, die mittels nicht dargestellter Relais betätigt werden.
• Solche Steuersignale werden durch den Binärwert bestimmt, die durch Schalter 85 und 95 und den Pegelwert des die Tausender repräsentierenden Bits gewählt wird.
• Aus der Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise des vorliegenden Meß- und Regelinstruments und anhand von Fig. 1 ergibt sich, daß es bei entsprechender Programmierung der programmierbaren Speichereinrichtungen 80 und 90 möglich ist, auch andere als die vorstehend dargestellten Spannungswandler einzusetzen, welche Signale liefern, die sich auf andere Weise verändern und jedenfalls entsprechend den hier offenbarten Modalitäten angezeigt und gesteuert werden können. Damit besitzt dieses Instrument einen erweiterten Anwendungsbereich.
• Hier wurde natürlich wurde nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des digitalen und programmierbaren Meßinstruments beschrieben, speziell für nichtlineare Signale, doch beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf dieses vorstehend dargestellte Ausführungsbeispiel, sondern umfaßt auch jedes andere Ausführungsbeispiel mit äquivalenter Schaltungsauslegung im Rahmen des Erfindungsgedankens, wie er in den beiliegenden Ansprüchen umrissen wird.

Claims (9)

1. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument, insbesondere für nichtlineare Signale, welches folgendes aufweist:

- eine Umsetzeinrichtung (20) zum Umsetzen der von einer Signalerzeugungseinrichtung (10) kommenden Signale in digitale Signale, welche einer Schaltung mit einer Vielzahl von Zwischenspeichereinrichtungen (30) zugeführt werden, wobei in jeder von diesen Werte abgespeichert sind, die sich jeweils auf Einer, Zehner, Hunderter und Tausender beziehen; und wobei die Umsetzeinrichtung (20) des weiteren sequentielle Steuerimpulse für die Zwischenspeicher und für Anzeigebausteine (40 - 70) erzeugt;

- eine erste programmierbare Speichereinrichtung (80, 90), welche so ausgelegt ist, daß sie für jedes umgesetzte Signal vorgegebene Werte liefert;

- eine Schalteinrichtung (100, 110) für die von der ersten programmierbaren Speichereinrichtung (80, 90) kommenden Signale;

- eine zweite programmierbare Speichereinrichtung (130, 140), die so ausgelegt ist, daß sie für jeden Wert der aus der ersten programmierbaren Speichereinrichtung (80, 90) kommenden Signale vorgegebene Werte liefert;

- eine programmierbare Dekodiereinrichtung (120), die der Schalteinrichtung (100, 110) nachgeschaltet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Schalteinrichtungen (100, 110) nacheinander von den von der Umsetzeinrichtung (20) erzeugten Steuerimpulsen angesprochen werden und dabei sequentielle Impulse (102, 104, 106, 108) erzeugen und diese nacheinander an die programmierbare Dekodiereinrichtung (120) zur Decodierung übermitteln, wobei die programmierbare Dekodiereinrichtung (120) die dekodierten Signale an Anzeigeeinrichtungen (40, 50, 60, 70) übermittelt;

die Schalteinrichtung (100, 110) auch die von der ersten Speichereinrichtung (80, 90) kommenden Signale an die zweite programmierbare Speichereinrichtung (130, 140) übermittelt, welche digitale Steuersignale an nachfolgende Stelleinrichtungen und andere digitale Signale an eine zusätzliche Umsetzeinrichtungen (150) übermittelt, wobei die zusätzliche Umsetzeinrichtung (150) die digitalen Signale in analoge Signale zur Ansteuerung der zusätzlicher Bauteile umsetzt.

2. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zum ansetzen analoger Signale einen Analog-Digital-Wandler in Form eines Zweiflankenwandlers aufweist, der so ausgelegt ist, daß er die Eingangssignale in 4.000 Teile aufteilen kann.

3. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sequentiellen Steuerimpulse von dem Analog-Digital-Wandler (20) erzeugt werden.

4. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenspeicher (30) integrierte D-signal-Speicherschaltungen aufweisen.

5. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste programmierbare Speichereinrichtung (80, 90) programmierbare und löschbare Festspeicher, d.h. EPROM-Speicher, aufweist.

6. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (100, 110) ternäre Zwischenspeicherschaltungen aufweist.

7. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite programmierbare Speichereinrichtung (130, 140) programmierbare und löschbare Festspeicher, d.h. EPROM-Speicher, aufweist.

8. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Dekodiereinrichtung (120) integrierte Schaltungen aufweist, die so ausgelegt sind, daß sie dekodierte Signale liefert, die durch Buchstaben und Zahlen definiert sind.

9. Digitales und programmierbares Meß- und Regelinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Digital-Analog-Wandler-Einrichtung (150) einen Digital-Analog-Wandler mit 12-Bit-Eingang aufweist.