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Dokumentenidentifikation DE69600097T2 23.07.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0724142
Titel Verfahren zum Tarieren einer Waage und zum Messen mit solch einer Waage.
Anmelder SGS-Thomson Microelectronics S.A., Gentilly, FR
Erfinder Le Van Suu, Maurice c/o Cabinet Ballot Schmit, 75116 Paris, FR
Vertreter Beetz und Kollegen, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69600097
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 09.01.1996
EP-Aktenzeichen 964000509
EP-Offenlegungsdatum 31.07.1996
EP date of grant 12.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.07.1998
IPC-Hauptklasse G01G 23/16
IPC-Nebenklasse G01G 23/01   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Tarieren einer elektronischen Waage, zum Messen eines Gewichts mit dieser Waage und ganz allgemein zum Tarieren von und/oder zum Messen mit jedem anderen elektronischen Gerät zum Ziel. Für den Fall der Waagen ist es insbesondere auf dem Gebiet der Waagen mit drei Kraftmessern oder elektrischen Meßfühlern anwendbar, aber es kann auch auf dem Gebiet der Waagen mit zwei Kraftmessern etc. angewendet werden. Obgleich die Erfindung auf dem Gebiet der Waagen beschrieben werden wird, ist sie genauso gut anwendbar auf dem Gebiet der allgemeinen elektronischen Geräte, die mit wenigstens einem Meßfühler ausgestattet sind.

Das Ziel der Erfindung ist es, die Probleme des Tarierens zu lösen, die bei Waagen nach dem Stand der Technik auftreten. In diesen benötigt das System zum Wiegen, um das Gewicht irgendeines Objektes festzulegen, drei Informationen: eine Information von einem Biegestreifen, eine andere von einem axialen Deformationsfühler, eine letztere von einem Torsionsfühler. Die gesammelten Informationen sind im Prinzip alle direkt proportional zum Gewicht des Objektes. Jeder Meßfühler hat eine Meßdynamik, die den Einsatz für Werte zwischen einem Gewicht P1 und einem Gewicht P2, z.B. 0 bis 200 kg für kommerzielle Personenwaagen, zuläßt.

Es existieren mehrere Meßfühlertypen: Dehnungsstreifen auf der Basis eines Widerstandes vom Typ Siliziun oder vom magnetischen Typ. Die Meßdynamik ändert sich von einem Typ zum anderen. Wenn das Ausgangssignal eines Meßfühlers schwach ist, verstärkt man im allgemeinen dieses vor der Auswertung. Um außerdem das Rauschen zu unterbinden, das das Signal stört, wird dieses bekanntermaßen gefiltert. Zum Beispiel tastet man es sukzessive ab und berechnet einen Mittelwert.

Im übrigen setzt man erfindungsgemäß eine komplementäre Technik ein, bei welcher die Größenbestimmung des von einem Meßfühler ausgegebenen Signals die Erzeugung eines rampenförmigen Signals, den Vergleich des rampenförmigen Signals mit dem gemessenen Signal und die Berücksichtigung von Zuständen eines temporär durch die Erzeugung der Rampe ausgelösten und bei Gleichheit des Rampensignals und des gemessenen Signals angehaltenen Zählers umfaßt. Man vermeidet daher erfindungsgemäß die Drift, die auf die Elemente zurückzuführen ist, die zur Versorgung der Meßfühler oder zum Erzeugen des Rampensignals dienen, insbesondere die eines Kondensators.

Das Prinzip des Tarierens, des Kalibrierens von früheren Systemen zum Messen von Gewichten erfordert eine Modellierung der Transferfunktion, die das Messen des Gewichtes in Abhängigkeit von Signalen von unterschiedlichen Meßfühlern darstellt. Immer wenn es eine Drift gibt, muß man korrigierende Terme bei dieser Funktion hinzufügen: Dies macht sie mehr und mehr komplex. In einem bestimmten Fall muß man die Meßfühler selbst überarbeiten, z.B. durch Laser-Einbrenntechniken. Diese Techniken sind selbstverständlich nicht für Massenherstellung geeignet, bei denen es wichtig ist, die Zahl der Manipulationen an den hergestellten Objekten bis zum Einstellpunkt zu limitieren.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Tarieren unterschiedlich hergestellter Objekte zu ermöglichen, ohne auf schwerfällige Techniken zurückgreifen zu müssen. Man möchte insbesondere mit der Erfindung ein selbstadaptierendes System haben. Für den Fall, daß die durchzuführende Korrektur in dem Speicher eines integrierten Schaltkreises abgelegt ist, braucht außerdem die Größe desselben nicht prohibitiv zu sein, wie sie es bei Berücksichtigung aller möglichen Driften oder aller Herstellungsschwankungen sein müßte. Man sucht also ein System, in welchem die Größe dieses Speichers klein ist.

Das Prinzip der Erfindung beruht zum Lösen dieser Probleme auf der Verwendung der unscharfen Logik. Erfindungsgemäß führt man zwei prinzipielle Schritte durch, die vorzugsweise aber nicht notwendigerweise komplementär sind. In einem ersten Schritt erfolgt eine Tarierung, indem ein Satz von Regeln erzeugt wird, die die Zugehörigkeit eines Meßergebnisses zu einem Ergebnisdatenbereich bestimmen, der kombinierten Zugehörigkeit von von den Meßfühlern ausgegebenen Signalen zu ihren Dynamikbereichen. In einem zweiten Schritt wendet man diese Regeln, oder vorher festgelegte Regeln an, um ausgehend von den Signalen gegebener Meßfühler das gesuchte Meßergebnis abzuleiten.

Die Erfindung schlägt im übrigen einen speziellen Ansatz vor, um den Satz von Regeln festzulegen, der die Zugehörigkeit eines Meßergebnisses zu einem Datenbereich festlegt.

Die Erfindung hat daher ein Verfahren zum Tarieren eines elektronischen Gerätes, insbesondere einer elektronischen Waage mit N elektrischen Meßfühlern, zur Aufgabe, das dadurch gekennzeichnet ist, daß

- Zusammenhänge insbesondere durch Messen zwischen Signalwerten der Aufnehmer und gewünschten Werten eines Ergebnissignals des Gerätes hergestellt werden,

- auf der Dynamik des Ausgangssignals jedes Aufnehmers eine ganze Zahl von Zuordnungsfunktionen definiert werden, indem für jede Zuordnungsfunktion ein Bereich dieser Dynamik und ein Koeffizient, Zuordnung genannt, zu jedem Wert dieses Aufnehmersignals zu diesem Bereich gebildet wird,

- Zuordnungsfunktionen des Ergebnissignals des Gerätes mit einem Dynamikbereich dieses Ergebnissignals für jede Zuordnungsfunktion des Ergebnissignals und ein Koeffizient, Zuordnung genannt, jedes Wertes des Ergebnissignals zu diesem Bereich festgelegt wird, und

- Zusammensetzungsregeln für die Zuordnung von Signalwerten der Aufnehmer zu den Signalbereichen der Aufnehmer vereinbart werden, die zu Zuordnungen des Ergebnissignals des Gerätes zu einem der Bereiche des Ergebnissignals führen,

- ein Ergebnissignal berechnet wird, das dieser Festlegung und dieser Vereinbarung entspricht, und

- durch sukzessive Approximierung die Zahl und Form der Zuordnungsfunktionen des Ergebnissignals und die Zahl und Eigenschaft der Zusammensetzungsregeln modifiziert werden, um den mittleren Fehler zwischen dem gewünschten Wert des Ergebnissignals und einem berechneten Wert des Ergebnissignals unter eine Schwelle zu drücken.

Die Erfindung hat außerdem ein Meßverfahren mit einem elektronischen Gerat mit N elektrischen Meßfühlern, insbesondere für ein Gewicht mit einer Waage, zur Aufgabe, wobei dieses Gerät eventuell gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 ausgeglichen worden ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß

- auf der Dynamik des Ausgangssignals jedes Aufnehmers eine ganze Zahl von Zuordnungsfunktionen definiert wird, indem für jede Zuordnungsfunktion ein Bereich dieser Dynamik und ein Koeffizient, Zuordnung genannt, von jedem Wert des Signals des Aufnehmers zu diesem Bereich festgelegt wird,

- Zuordnungsfunktionen des Ergebnissignals des Gerätes mit einem Dynamikbereich dieses Ergebnissignals für jede Zuordnungsfunktion des Ergebnissignals und ein Koeffizient, Zuordnung genannt, von jedem Wert dieses Ergebnissignals zu diesem Bereich festgelegt wird, und

- Zusammensetzungsregeln für die Zuordnung der Signalwerte der Aufnehmer zu den Bereichen der Signale der Aufnehmer festgelegt werden, die zur Zuordnung des Ergebnissignals des Gerätes zu einem der Bereichedes Ergebnissignals führen,

- für jede Zusammensetzungsregel ein Trefferwert berechnet wird,

- der Trefferwert mit einem Wert der Zuordnungsfunktion für das Ergebnis entsprechend dieser Regel zusammengesetzt wird,

- die Ergebnisse dieser Zusammensetzung, z.B. durch Bilden des Durchschnitts, verarbeitet werden, um ein Meßsignal des Gerätes zu erzeugen.

In der Praxis führt man erfindungsgemäß zum Tarieren eine oder mehrere Iterationen zur Bestimmung der Regeln und der unterschiedlichen Zuordnungsfunktionen aus. Beim Messen ist es möglich, unter Zulassung eines sehr kleinen Fehlers gleiche allgemeine Regeln für alle Geräte einer Serie aufzustellen, obgleich man vorzugsweise durch Tarieren hinzugefügte Regeln verwenden wird.

Die Erfindung läßt sich besser verstehen aufgrund der folgenden Beschreibung und der beigefügten Figuren. Diese dienen nur als Beispiel und schränken die Einheit nicht ein. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Korrespondenztabelle von Meßfühlersignalwerten und gewünschten Werten eines Ergebnissignals,

Fig. 2 ein Beispiel der Zuordnungsfunktion, die auf der Dynamik des Signals jedes Meßfühlers definiert wurde, vorzugsweise nach Normalisierung, oder auf der Dynamik des Ergebnissignals,

Fig. 3 eine Einheit von Regeln zur Zusammensetzung der Zuordnung,

Fig. 4 eine Vorrichtung für das Umsetzen des Verfahrens.

Um das erfindungsgemäße Verfahren umzusetzen, stellt man daher eine Korrespondenz zwischen den Signalwerten von den Meßfühlern und den gewünschten Werten des Ergebnissignals her. In den Figuren 1a, 1b, 1c, 1d und 1e sind jedesmal zwei Tafeln mit drei Spalten dargestellt. Die erste Spalte jeder Tafel gibt in jeder Zeile einen möglichen Wert eines Signals eides ersten Meßfühlers an. Zum Beispiel nimmt ein Signal eines ersten Meßfühlers S1 die Werte zwischen - 2,000 000 und + 2,000 000 an und dann erneut unten in der Spalte von - 2,000 000 bis + 2,000 000. In einer zweiten Spalte ist für einen Meßfühler S2 ein einziger Wert 2,000 000 oben in der Spalte und 1,750 000 unten in der Spalte angegeben. Dort könnten auch mögliche Werte eines dritten Meßfühlers angegeben sein. Die dritte Spalte der ersten Tabelle gibt den jeweiligen gewünschten Wert für das Meßsignal der Waage an.

Die Herstellung der Korrespondenzen kann theoretisch erfolgen: Sie kann aus einer mathematischen Modellierung folgen, die im Labor erstellt wurde. Sie kann auch einfacher aus einer direkten Messung resultieren. Man legt dafür z.B. unterschiedliche bekannte Gewichte auf die Waage und mißt bei jedem Gewicht die Signale der Meßfühler S1, S2 und S3. Da man das Gewicht und ein Ergebnissignal kennt, das man angezeigt haben möchte, kann man in einer Datei die oben angegebenen Korrespondenzen erstellen und abspeichern.

Die Figur 2 zeigt ein Beispiel für die Zuordnungsfunktion, die auf der Dynamik eines Meßfühlersignals definiert ist. In einem bevorzugten Beispiel wird diese Dynamik evaluiert, hier zwischen - 2,000 000 und + 2,000 000, und dann zwischen 0 und 100 normalisiert. Man sagt dann, daß die Variable S1 oder auch die Vorgröße S1 die Werte von 0 bis 100 annehmen kann. Auf dieser Dynamik, hier normalisiert auf bis 100, definiert man Bereiche. In diesem Beispiel hat man fünf Bereiche über jeweils 0 - 24,4094; 0 - 49,6063; 24,4094 - 74,8031; 49,6063 - 100 und 74,8031 - 100 definiert. Man hätte auch mehr definieren können, aber in der Praxis der unscharfen Logik hat man im allgemeinen eine auf acht beschränkte Zahl von Bereichen. Danach definiert man für jeden möglichen Wert von S1 in Form einer Zuordnungsfunktion einen Zuordnungskoeffizienten, der die Angabe ermöglicht, wie stark ein Wert als zu einem Bereich zugehörig betrachtet werden kann.

Zum Beispiel betrifft der erste Bereich die sehr niedrigen Werte, der zweite die niedrigen Werte, der dritte die mittleren Werte, der vierte die hohen Werte und der fünfte die sehr hohen Werte. Für einen gegebenen Wert von S1, z.B. für S1 = 0, drückt die Zuordnungsfunktion quantifiziert die Tatsache aus, daß der betrachtete Wert zu dem Bereich gehört. Für das angegebene Beispiel gehört S1 = 0 zu dem sehr tiefen Bereich mit dem Zuordnungskoeffizienten 1 und zu den anderen Bereichen mit einem Koeffizienten 0. In einem anderen Beispiel gehört ein anderer Wert S1 = 40,000 zu dem -zweiten Bereich mit einem Koeffizienten von 0,33 und einem dritten Bereich mit einem Koeffizienten von 0,60. Er gehört zu allen anderen Bereichen mit einem Koeffizienten 0.

Die Formen der Zuordnungsfunktionen können wie hier durch gleichschenklige Dreiecke, ungleichschenklige Kurven (auf einer Basis ruhendes Dreieck mit einem Seitenwinkel, der sich von dem anderen unterscheidet), Trapezen oder auch vorzugsweise Gauß-Kurven wiedergegeben werden, bei denen der Ausdruck für den Koeffizienten lautet:

Koeffizient = exp (-(x-m)²/2s²),

wobei x den Wert der Variable darstellt, m den mittleren Wert der betreffenden Glockenfunktion und s die mittlere Abweichung dieser Funktion. Während die Zuordnungskoeffizienten Null außerhalb von zwei aufeinanderfolgenden Bereichen für den Fall sind, daß die Formen gleichschenklige Dreiecke, schiefwinklige Kurven oder Trapeze sind, ist dies nicht der Fall bei Gauß-Funktionen. Die Verteilung dieser letzteren muß daher so sein, daß die Summe der Zuordnungskoeffizienten zu einem gegebenen Wert einer der Bereiche nicht größer als 1 wird. Für die folgende Abhandlung geht man davon aus, daß für die N möglichen Variablen, N = 3 in dem Beispiel, man M, M = 5 in dem Beispiel, verteilte Zuordnungsfunktionen zwischen sehr niedrig und sehr hoch über die Dynamik jedes der Meßfühlersignale hat. Sie werden f1, f2, f3, f4, f5, g1, g2, g3, g4, g5 und h1, h2, h3, h4 und h5 genannt, wobei die so definierten fünf Funktionen den Signalen S1, S2 bzw. S3 entsprechen.

Man führt das Gleiche, in der Tat sehr einfach, für das Ergebnissignal durch und teilt seine Dynamik auf fünf Zuordnungsfunktionen auf. Man bezeichnet sie vorläufig q1 bis q5.

Man bevorzugt im allgemeinen für das Ergebnissignal Gauß- Funktionen, deren Form außerdem deswegen gerechtfertigt ist, da es Variablen von Meßfühlern sind, die betrachtet werden.

Wenn einmal diese Zuordnungsfunktionen so festgelegt worden sind, sucht man die Zusammensetzungsregeln für die Zuordnung der Signalwerte der Meßfühler zu Bereichen dieser Meßfühlersignale, die zu Zuordnungen des Ergebnissignals der Waage zu einem der Ergebnissignalbereiche führen. So hat man in Figur 3 in einer ersten Zeile angedeutet, daß, wenn das Signal S1 zum sehr tiefen Bereich f1 gehört, das Signal S2 zum sehr tiefen Bereich gl und das Signal S3 zum sehr tiefen Bereich hl gehört, das Ergebnissignal 0 dann zu dem sehr niedrigen Bereich q1 gehört. Auf dieselbe Art erkennt man, daß, wenn das Signal S1 zum niedrigen Bereich f2 gehört, das Signal S2 zum niedrigen Bereich g2, das Signal S3 zum niedrigen Bereich h2 gehört, das Signal 0 dann zu dem niedrigen Bereich q2 gehört. Und so weiter.

Im Fall einer Waage, wo die Signale der drei Meßfühler im Prinzip alle direkt proportional zum gemessen Gewicht sind, gibt es keine Möglichkeit, daß ein sehr niedriges Signal S1 und ein sehr niedriges Signal S2 zugleich mit einem sehr hohen Signal S3 existieren. Jedoch kann so etwas bei anderen Anwendungen auftreten, und in diesem Fall gäbe es auch eine Zuordnungsregel mit MN (oder M x P x Q, wenn die Zahl der Zuordnungsfunktionen nicht dieselbe für jede Variable ist). Man bemerkt nichtsdestotrotz, daß dies der Fall ist selbst für eine Waage mit drei Meßfühlern, die gemeinsam messen, wenn die Zuordnungsfunktionen gaußförmig sind. Sie sind nur Null bei Werten, die theoretisch im Unendlichen liegen.

Für das Abgleichen wird man unter der Hypothese des Beispiels mit drei Meßfühlersignalen und einem Ergebnissignal ein sogenanntes Produktverf ahren verwenden. Hierzu führt man für eine Zuordnungsfunktion des gegebenen Resultats z.B. und für die Werte, für welche dies ein Kennzeichen ist, die folgenden Berechnungen durch:

r fi(S1) gi(S2) hi(S3) = qi (gewünschter Wert).

Dieser Ausdruck erlaubt es für alle Fälle, bei denen das Produkt fi(S1) gi(S2) hi(S3) ungleich Null ist, eine bestimmte Zahl für den Wert von r anzugeben. Für das Beispiel der Datei in Figur 1, wo der Zuordnungsbereich qi des gewünschten Wertes im Zentrum liegt, z.B. ein Wert zwischen + 0,005 und - 0,005, hat man eine bestimmte Zahl von Zeilen, wo die Signale S1 und S2 (S3 ist nicht angegeben) auftreten. Wenn die Regeln für den zentralen Bereich qi voisehen, daß die Bereiche fi - 1, fi oder fi + 1 und gi - 1, gi oder gi + 1 und hi - 1, hi oder hi + 1 zu berücksichtigen sind, so verwendet man diese Regeln, um eine Berechnung für r durchzuführen.

Man erhält so eine gewisse Zahl für den Wert von r. Entweder sind diese Werte von r statistisch gaußförmig in Form von qi verteilt oder nicht. Diese Äquivalenz wird an einem Mittelwert von r gemessen, bevor sie um einen Optimalwert, z.B. 1, zentriert wird, wenn die Korrespondenz normalisiert ist, mit einer typischen Abweichung, die von einer gewünschten Präzision abhängt.

Dies ist beim ersten Versuch normalerweise nicht der Fall. Man dividiert daher also den Bereich von qi in zwei Bereiche, z.B. die aneinandergrenzenden qi1 und qi2. Man modifiziert danach die Regeln, um nur die zu berücksichtigen, die jedesmal durch einen der Bereiche erfaßt werden, und wiederholt diese Operation. Diese Wiederbolung kann sooft wiederholt werden, wie die gewünschte Genauigkeit noch nicht erreicht wurde. Die durch die Modifizierung betroffenen Regeln sind z.B. die, wo die Funktion qi auftritt, und sie werden dupliziert, um die Funktionen qi1 und qi2 anstelle von qi auftreten zu lassen.

Unter den theoretisch möglichen Regeln gibt es ebenso viele wie Bereiche für jede der Variablen und Bereiche für das Ergebnissignal. Demnach gibt es theoretisch mit fünf Bereichen für S1, S2 und S3 und fünf Bereichen für das Ergebnis 0 a priori 625 theoretische Regeln. Unter diesen sind nur ungefähr vierzig realistisch. Realistisch heißt, daß die Zuordnungskoeffizienten der Variablen der Regeln alle nicht Null oder vernachlässigbar sind. Wenn man die Zahl der Ergebnisbereiche erhöht, wie dies angedeutet wurde, erzeugt man eine große Zahl von theoretischen Regeln. Zum Beispiel wird, wenn die Zahl von Bereichen des Ergebnissignals statt 5 6 ist (qi wird zu qi1 und qi2), die Zahl der Regeln von 625 auf 750 steigen. In der Praxis liegt die gewöhnliche Zahl der Regeln zwischen 40 und 45 oder 46.

Im folgenden verfeinert man das Ergebnis bis die gewünschte Genauigkeit der Näherung mit der unscharfen Logik erreicht ist. In einem Beispiel, unter Berücksichtigung der Verzerrung der Meßkurve eines Gerätes, hat man vierzig Bereiche für das Ergebnissignal berücksichtigt, und weniger als zweihundert Zusammensetzungsregeln bleiben am Ende der Verarbeitung.

Figur 4 zeigt eine Wheastone-Brücke W1, bei welcher ein Dehnungsmeßstreifen J1 durch einen Satz von Widerständen R11 bis R13 zwischen Vcc und Masse versorgt wird. Am Mittelpunkt von W1 mißt man die Spannungen v11 und v12, die an die Eingänge eines Differenzverst.ärkers AD1 gelegt werden. Dieser Verstärker AD1 gibt ein Spannungssignal S1 aus. Es gibt außerdem zwei weitere Wheastone-Brücken W2, W3, die nicht dargestellt sind, die die Signale S2 und S3 ausgeben. Diese Signale S1, S2, S3 sind die obengenannten Gewichtssignale. Sie können nichtsdestotrotz anders als mit Wheastone-Brücken erzeugt werden oder von einem anderen Apparat als einem Wiegeapparat stammen.

Die Signale S1, S2 und S3 werden in einem Multiplexer MUX gemultiplext, der durch einen Steuerlogikschaltkreis CLC getaktet wird. Sie werden dann Zug um Zug am Ausgang des Multiplexers MUX ausgegeben, um in einen Tiefpaßfilter F eingespeist zu werden, der die parasitären Störungen eliminiert. Die gefilterten Signale S1, S2, S3 werden dann durch einen Verstärker A verstärkt. Vorzugsweise ist der Verstärker A ein Integratorverstärker (mit großem Gewinn), mit einstellbarem Gewinn, gesteuert und getaktet durch den Schaltkreis CLC. Daß er einen variablen Gewinn hat, ermöglicht es, die Messungen wie oben erläutert zu normalisleren. Die Taktung ist mit dem Multiplexen gekoppelt. Jedes Meßfühlersignal wird für sich mit seinen eigenen Verstärkungsbedingungen verarbeitet.

Ein Analog-Digital-Konverter CAN erlaubt es, binäre Zustände zu erzeugen, die jedem Abtasten der Signale S1, S2 und S3 entsprechen, die vom Verstärker A ausgegeben wurden. Diese binären Zustände werden an einen Mikroprozessor uP vorzugsweise vom unscharfen Typ geschickt.

Der Mikroprozessor uP hängt wie bekannt mit einem Programmspeicher ROM zusammen, einem Speicher für Regeln R, einer Anzeige AF, einem Taktgeber H und dem Schaltkreis CLC. Die kleine Zahl von Regeln (200) und Zuordnungsfunktionen kann in einem Speicher mit weniger als einem Kilobyte abgelegt werden.

Im Augenblick des Abgleichs setzt man mit dem Mikroprozessor uP und dem in dem ROM-Speicher enthaltenen Programm den oben beschriebenen Algorithmus um. Im Augenblick der Messung vergleicht der Mikroprozessor uP jeden Signalwert S1, S2, S3 mit den Bereichen der Meßfühler. Für jedes Signal und jeden Bereich wird ein Zuordnungskoeffizient bestimmt, der von dem Profil der Zuordnungsfunktionen für den Bereich und den Wert des Signals des Meßfühlers abhängt. Wenn die Zuordnungsfunktionen gleichschenklig sind, so erlauben nur zwei Zuordnungsfunktionen die Bestimmung von Koeffizienten, die sich von 0 unterscheiden.

Um den Wert des Ergebnisses zu bestimmen, gibt es zwei Verfahren: Das Produktverfahren, das weiter oben angedeutet wurde, und das Minimalverfahren. Der Vollständigkeit halber wird im folgenden das Finden des Ergebnisses nach dem Mmimalverfahren beschrieben. Man bleibt bei dem oben angedeuteten Beispiel mit fünf Zuordnungsfunktionen f1-f5, g1-g5 und h1-h5 für die Signale S1 bis S3. Man kann die folgenden (willkürlichen) Ergebnisse bekommen:

S1 zugehörig zu fn mit einem Koeffizienten 0,20

S1 zugehörig zu fn+1 mit einem Koeffizienten 0,25

S2 zugehörig zu gn mit einem Koeffizienten 0,19

S2 zugehörig zu gn+1 mit einem Koeffizienten 0,14

S3 zugehörig zu hn mit einem Koeffizienten 0,41

S3 zugehörig zu hn+1 mit einem Koeffizienten 0,53.

Man geht davon aus, daß für alle anderen Bereiche die Koeffizienten Null sind (gleichschenklige Funktionen) oder zu klein sind, um ins Gewicht zu fallen (Gauß-Funktionen).

Man wendet dann unter den Regeln diejenigen an, die die Triplets fn, gn, hn oder fn, gn, hn+1 oder fn, gn+1, hn etc. ... betreffen, bei welchen diese Funktionen auftreten.

Zum Beispiel hat man die folgenden Regeln:

I wenn S1 zu fn, S2 zu gn und S3 zu hn gehört, so gehört 0 zu qi

II wenn S1 zu fn, S2 zu gn und S3 zu hn+1 gehört, so gehört 0 zu qi

III wenn S1 zu fn, S2 zu gn+1 und S3 zu hn gehört, so gehört 0 zu qi

IV wenn S1 zu fn, S2 zu gn+1 und S3 zu hn+1 gehört, so gehört 0 zu qj

...

VIII wenn Si zu fn+1, S2 zu gn+1 und S3 zu hn+1 gehört, so gehört 0 zu qk.

In dem angegebenen Beispiel führt dies zu

I 0,20; 0,19; 0,41 und 0 gehören zu qi

II 0,20; 0,19; 0,53 und 0 gehören zu qi

IV 0,20; 0,14; 0,53 und 0 gehören zu qj

...

VIII 0,25; 0,14; 0,53 und 0 gehören zu qk.

Das Minimalverfahren ist so, daß man für jede Regel, z.B. Zeile I, sagt, daß das Ausgangssignal 0 zu der Funktion qi mit einem Koeffizienten gehört, der das Minimum von den durch die Regel betroffenen ist. Anders gesagt, für die Regel I ist das Ergebnissignal 0,19mal der Mittelwert der Funktion qi. Desgleichen ist für die Regel II das Ergebnis 0,19mal der Mittelwert der Funktion qi. Für die Regel IV ist es 0,14mal der Mittelwert der Funktion qj ... Für die Regel VIII ist es 0,14mal der Mittelwert der Funktion qk.

Im folgenden berücksichtigt man alle Regeln, für die die Zuordnungskoeffizienten alle signifikant sind. Das allgemeine Ergeb is ist der Mittelwert, auf der Zahl der berücksichtigten R geln, der Resultate von jeder berücksichtigten Regel. Hier ist es

0 = (0,19 qi + 0,19 qi + ... + 0,14 qj + ... + 0,14 qk)/8.

Die Meßvorrichtung, die bei der Erfindung verwendet wurde, kann erbessert werden. Diese Verbesserung betrifft einerseits die Erzeugung einer Variable oder exakter von N zusätzlichen Variablen: die Zeit. Sie betrifft ebenso die Tatsache, daß diese Variable oder diese Variablen ebenso durch das System der unscharfen Logik getestet werden. Die Funktion dieser Verbesserung ist wie folgt.

Während eine Meßinformation zur Verfügung steht, eventuell nach erstärkung und Filterung und Umwandlung, erzeugt man nahezu zeitgleich (einige Nanosekunden nach Erzeugung durch den Meßfühler) außerdem zwei Rampensignale, die sich linear mit der Zeit entwickeln. Ein erstes Signal, das sich von einem unteren Wert zu einem oberen Wert entwickelt, und ein anderes, das sich umgekehrt zwischen den beiden Grenzen entwickelt. Die unteren und oberen Werte sind die der Dynamik eines überwachten Meßfühlers. Mittels eines Zählers zählt man die abgelaufene Zeit seit dem Auslösen der Rampensignale. Mit Komparatoren erfaßt man den Moment, wo die Rampensignale gleich dem Meßfühlersignal sind. Man verfügt also über zwei Zeiten. Wenn man vorsichtshalber dafür sorgt, daß die Rampen dasselbe Gefälle haben (oder wenn sie es nicht haben, sie so korrigiert), kann man durch Addition der erhaltenen Zeiten verifizieren, daß die Gesamtdauer genau mit der Dynamik des Meßsignals übereinstimmt.

Tatsächlich durchlaufen die Rampensignale einen Verlauf gleich der Differenz zwischen dem unteren Wert und dem Wert des Signals vom Meßfühler und zwischen dem Wert des Signals vom Meßfühler und dem oberen Wert ist.

Um die Rampensignale zu konstituieren, Figur 4, schließt man am Anfang der Messung während eines kurzen Augenblicks zwei Unterbrecher K1 und K2. Diese zwei Unterbrecher bringen also unmittelbar die zwei Anschlüsse der Kondensatoren C1 und C2, mit denen sie jeweils parallelgeschaltet sind, auf die jeweiligen Potentiale Vcc und 0 Volt.

Wenn K1 und K2 wieder geöffnet werden, löst der Steuerlogikschaltkreis CLC einen Zähler CO aus. Der erste Kondensator C1 wird gleichzeitig über eine Quelle I1 für den Strom I zwischen Vcc und Masse verbunden. Der zweite Kondensator C2 wird über eine Quelle I2, ebenso für den Strom I zwischen Masse und Vcc verbunden. Der erste Kondensator C1 lädt sich mit I auf, während sich C2 mit I entlädt. Im Mittelpunkt zwischen den Kondensatoren und den Stromquellen entnimmt man die Signale V1 und V2, die jeweils steigen bzw. fallen. Die Signale V1 und V2 werden an den Mikroprozessor uP über dieselbe Kette wie die Signale S1, S2 und S3 übertragen. Sie durchlaufen vergleichbare Verarbeitungsschritte. In dem Mikroprozessor uP werden die Signale V1 und V2 mit jedem der Signale S1, S2 und S3 verglichen.

Man erfaßt mit dem Mikroprozessor uP die Augenblicke, in denen die Signale jeweils gleich S1, S2 oder S3 sind. Die Augenblicke der Gleichheit werden hier TV1S1, TV2S1, ... TV2S3 genannt, um die Gleichheit der Spannung V1 mit dem Signal S1, der Spannung V2 mit dem Signal S1 etc. ... der Spannung V2 mit dem Signal S3 zu zeigen. In diesen Augenblicken liest der Mikroprozessor uP den Zustand des Zählers aus. Diese Zustände sind COV1S1, COV2S1 etc. ... We oben angedeutet worden ist, muß die binäre Summe des Zustandes COV1S1 und des Zustandes COV2S1 immer gleich bleiben. Dieses ist ein gutes Mittel, um die korrekte Funktion des Systems zu überwachen.

Indem die Quellen I1 und I2 für den Strom I gewählt werden, dessen Wert von der Spannung Vcc abhängt, mit der die Meßfühler versorgt werden, kann man tatsächlich durch Einsetzen der Zustände COV1S1, COV1S2 und COV1S3 für die Signale S1, S2 bzw. S3 die Schwankung der Versorgungsspannung definitiv überwinden, indem man Batterien in einer Personenwaage verwendet. Man kann tatsächlich zeigen, daß unter der Einschränkung, daß der Strom I proportional zu der Spannung Vcc ist, die hinzugefügte Zeit unabhängig wird.

Für die Verarbeitung der Signale COV1S1, ... erzeugt man eine Klasse N + 1 (N + 1 = 4) von Zuordnungsfunktionen: eine von der Zeit abhängige. Für diese Klasse gibt es nur eine einzige Zuordnungsfunktion, z.B. eine sehr hoch genannte Funktion mit rechteckiger Form, die 1 beträgt, wenn die hinzugefügte Zeit gleich einer Referenzzeit ist, und die 0 beträgt für den entgegengesetzten Fall. Man verwendet also bei jeder Regel eine komplementäre Bedingung, über welche man verifiziert, daß die hinzugefügte Zeit zu der sehr hohen Zuordnungsfunktion gehört. Man vermeidet so die Effekte der Abweichung der Meßspannung an den Meßfühlern, während diese Effekte im übrigen ohne Einfluß auf die Funktion des Restes des Schaltkreises wären, insbesondere des Mikroprozessors uP, wobei die Toleranzen für die Funktion im allgemeinen groß sind: zum Beispiel von 1,5 V bis 8 V. Unter solchen Bedingungen kann das gesamte System in einem einzigen integrierten Schaltkreis integriert werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Abgleichen eines elektronischen Gerätes, insbesondere einer elektronischen Waage, mit N elektrischen Aufnehmern, dadurch gekennzeichnet, daß

- Zusammenhänge insbesondere durch Messen zwischen Signalwerten der Aufnehmer und gewünschten Werten eines Ergebnissignals des Gerätes hergestellt werden,

- auf der Dynamik des Ausgangssignals jedes Aufnehmers eine ganze Zahl von Zuordnungsfunktionen definiert werden, indem für jede Zuordnungsfunktion ein Bereich dieser Dynamik und ein Koeffizient, Zuordnung genannt, zu jedem Wert dieses Aufnehmersignals zu diesem Bereich gebildet wird,

- Zuordnungsfunktionen des Ergebnissignals des Gerätes mit einem Dynamikbereich dieses Ergebnissignals für jede Zuordnungsfunktion des Ergebnissignals und ein Koeffizient, Zuordnung genannt, jedes Wertes des Ergebnissignals zu diesem Bereich festgelegt wird, und

- Zusammensetzungsregeln für die Zuordnung von Signalwerten der Aufnehmer zu den Signalbereichen der Aufnehmer vereinbart werden, die zu Zuordnungen des Ergebnissignals des Gerätes zu einem der Bereiche des Ergebnissignals führen,

- ein Ergebnissignal berechnet wird, das dieser Festlegung und dieser Vereinbarung entspricht, und

- durch sukzessive Approximierung die Zahl und Form der Zuordnungsfunktionen des Ergebnissignals und die Zahl und Eigenschaft der Zusammensetzungsregeln modifiziert werden, um den mittleren Fehler zwischen dem gewünschten Wert des Ergebnissignals und einem berechneten Wert des Ergebnissignals unter eine Schwelle zu drücken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der Zuordnungsfunktionen der Aufnehmer gleichmäßig verteilt sind.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungsfunktionen Gauß-förmig sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungsfunktionen gleichschenklig sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungsfunktionen ungleichschenklig sind.

6. Verfahren zum Messen mit einem elektronischen Gerät mit N elektrischen Aufnehmern, insbesondere eines Gewichts bei einer Waage, wobei dieses Gerät gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 ausgeglichen worden ist, dadurch gekennzeichnet,

- auf der Dynamik des Ausgangssignals jedes Aufnehmers eine ganze Zahl von Zuordnungsfunktionen definiert wird, indem für jede Zuordnungsfunktion ein Bereich dieserdynamik und ein Koeffizient, zuordnung genannt, von jedem Wert des Signals des Aufnehmers zu diesem Bereich festgelegt wird,

- Zuordnungsfunktionen des Ergebnissignais des Gerätes mit einem Dynamikbereich dieses Ergebnissignals für jede Zuordnungsfunktion des Ergebnissignals und ein Koeffizient, Zuordnung genannt, von jedem Wert dieses Ergebnissignals zu diesem Bereich festgelegt wird, und

- Zusammensetzungsregeln für die Zuordnung der Signalwerte der Aufnehmer zu den Bereichen der Signale der Aufnehmer festgelegt werden, die zur Zuordnung des Ergebnissignals des Gerätes zu einem der Bereiche des Ergebnissignals führen,

- für jede Zusammensetzungsregel ein Trefferwert berechnet wird,

- der Trefferwert mit einem Wert der Zuordnungsfunktion für das Ergebnis entsprechend dieser Regel zusammengesetzt wird,

- die Ergebnisse dieser Zusammensetzung, zum Beispiel durch Bilden des Durchschnitts, verarbeitet werden, um ein Meßsignal des Gerätes zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trefferwert berechnet wird, indem in jeder Regel das Minimum der Zuordnungskoeffizienten der Signale von unterschiedlichen Aufnehmern gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein erstes Signal mit der Zeit ansteigen gelassen wird und ein zweites Signal mit der Zeit abfallen gelassen wird,

- die zwei Signale mit einem Meßsignal verglichen werden,

- die Zeit bis zu einer Gleichheit gemessen wird,

- die zwei Zeiten addiert werden,

- auf der Dynamik des Signals der addierten Zeit eine temporäre Zuordnungsfunktion definiert wird,

- ein Zuordnungskoeffizient dem Wert der addierten Zeit zugeordnet wird, und

- die Regeln modifiziert werden, um darin eine Bedingung bezüglich dieser temporären Zuordnungsfunktion einzubinden.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
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