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Dokumentenidentifikation DE19940401A1 01.03.2001
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation des Übertragungsverhaltens einer Meß-, Regel- oder Steueranordnung
Anmelder Stotz Feinmesstechnik GmbH, 70839 Gerlingen, DE
Erfinder Stamenkovic, Milan, 70839 Gerlingen, DE
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 25.08.1999
DE-Aktenzeichen 19940401
Offenlegungstag 01.03.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2001
IPC-Hauptklasse G01D 3/024
IPC-Nebenklasse G01B 13/02   
Zusammenfassung Verfahren zur Kompensation des Übertragungsverhaltens einer Meß-, Regel- oder Steueranordnung, insbesondere einer dynamischen Längenmeßanordnung nach dem Hockdruckmeßverfahren, bei welchem die Ausgangswerte der Anordnung mit einer Korrekturfunktion modifiziert werden, die näherungsweise nach dem Übertragungsverhalten der Anordnung für die zugehörigen Eingangswerte bestimmt wird, wobei zur Verbesserung des Verfahrens, insbesondere zur Vereinfachung der Korrektur, als genäherte Korrekturfunktion eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung verwendet wird und daß die Ausgangswerte mehrmals nacheinander mit dieser Korrekturfunktion modifiziert werden, indem der modifizierte Ausgangswert erneut modifiziert wird und so fort.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Übertragungsverhaltens einer Meß-, Regel- oder Steueranordnung, insbesondere einer dynamischen Längenmeßanordnung nach dem Hochdruckmeßverfahren, bei welchem die Ausgangswerte der Anordnung mit einer Korrekturfunktion modifiziert werden, die näherungsweise nach dem Übertragungsverhalten der Anordnung für die zugehörigen Eingangswerte bestimmt wird.

Es ist bekannt, daß Meß-, Regel- und Steueranordnungen ein Übertragungsverhalten aufweisen. Insbesondere hinkt aufgrund der Trägheit der genannten Anordnungen der Ausgangswert dem Eingangswert hinterher. Das heißt, der Ausgangswert erreicht erst nach einer bestimmten Anlaufzeit den Wert des Eingangswertes. Dies führt dazu, daß schnelle dynamische Messungen nicht durchführbar sind.

Es ist daher bekannt, das Übertragungsverhalten derartiger Anordnungen zu kompensieren, indem eine zu der Übertragungsfunktion inverse Funktion auf den Ausgangswert angewendet wird. In üblicher Weise wird hierfür die Übertragungsfunktion näherungsweise als Differentialgleichung beschrieben, deren Ordnung von der jeweiligen Anordnung abhängt. Problematisch ist, daß Differentialgleichungen höherer Ordnung schaltungstechnisch nicht oder nur sehr aufwendig zu realisieren sind. Entsprechend kompliziert ist die Kompensation des Übertragungsverhaltens einer solchen Anordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Insbesondere soll die Kompensation einfacher realisierbar sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als genäherte Korrekturfunktion eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung verwendet wird und daß die Ausgangswerte mehrmals nacheinander mit dieser Korrekturfunktion modifiziert werden, indem der modifizierte Ausgangswert erneut modifiziert wird und so fort.

Der Erfindungsgedanke besteht also darin, unabhängig von der Art der Anordnung und ihrem Übertragungsverhalten stets nur Differentialgleichungen erster Ordnung zur Kompensation des Übertragungsverhaltens zu verwenden und diese Kompensation in Art eines Iterationsverfahrens so oft durchzuführen, daß ein gewünschter Kompensationsgrad oder eine gewünschte Beschleunigung der Messung, also Zeit bis zum Erreichen des Endwertes erreicht wird. Beispielsweise wird eine Differentialgleichung vierter Ordnung eines herkömmlichen Verfahrens durch viermalige Anwendung einer Differentialgleichung erster Ordnung auf die Ausgangswerte ersetzt, um denselben Kompensationsgrad zu erreichen. Damit ist die inverse Übertragungsfunktion schaltungstechnisch leicht realisierbar. Da zudem eine wiederholte Anwendung dieser Schaltung unproblematisch ist, ist die Kompensation insgesamt unaufwendig.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Korrekturfunktion die folgende Form auf:





wobei S(t) der zu modifizierende Wert, S'(t) der modifizierte Wert und k eine Konstante ist. Dabei wird bevorzugt für jeden Korrekturschritt eine eigene Konstante k festgelegt. Mit dieser Funktion und der Festlegung unabhängiger Konstanten k für jeden Korrekturschritt kann eine sehr gute und schnelle Anpassung des Ausgangswertes an den Eingangswert erreicht werden.

Bevorzugt ist es, wenn die Konstanten k so bestimmt werden, daß für die gewünschte Korrektur möglichst wenig Korrekturschritte benötigt werden. Dadurch wird die Kompensationsschaltung vereinfacht und das Verfahren beschleunigt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden geeignete Konstanten k für die Korrekturschritte durch Versuche bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß auf diese Weise sehr gute Ergebnisse erzielt werden können.

Nach einer weiteren Ausgestaltung det Erfindung werden die Konstanten k für die Korrekturschritte automatisch bestimmt. Das heißt, durch eine festzulegende Routine werden die Konstanten k solange variiert, bis sie ein optimales Ergebnis liefern.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden im letzten Korrekturschritt die modifizierten Werte durch ein Dämpfungsglied, insbesondere einen Tiefpaß geleitet. Hierdurch wird ein Überschwingen des korrigierten Wertes über den tatsächlichen Wert vermieden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Endwert der Korrektur über eine Zeitspanne gemittelt. Ein durch die Dämpfung oder aus anderem Grunde auftretendes Rauschen kann dadurch ausgeglichen werden.

Bevorzugt ist es, wenn die Mittelung des Endwertes nach einer festlegbaren Vorlaufzeit begonnen wird. Damit kann sichergestellt werden, daß sich der Endwert bereits ausreichend stabilisiert hat.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Mittelung auf ein von außen dem System zuführbares Startsignal begonnen. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Mittelung individuell und insbesondere abhängig von äußeren Parametern zu beginnen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 umfaßt Mittel zur wiederholten Modifizierung des Ausgangswertes der Anordnung, gegebenenfalls Mittel zur Dämpfung des modifizierten Wertes, insbesondere einen Tiefpaß, und Mittel zur Mittelung des Endwertes der Modifikation sowie Mittel zur Ausgabe des korrigierten Wertes. Bevorzugt ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die Zahl der Korrekturschritte einstellbar ist. Damit kann die Genauigkeit und die Beschleunigung des Korrekturverfahrens gewählt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erindung ist der Zeitpunkt der Mittelung einstellbar. Nach noch einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Dämpfungsgrad, insbesondere der Grenzwert des Tiefpasses einstellbar.

Bevorzugt verwendet wird das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Längenmessungen nach dem Hochdruckmeßverfahren, die mit einer Meßdüse und einer Vordüse sowie mit einem Drucksensor vor der Vordüse und einem Drucksensor zwischen Vordüse und Meßdüse, also ohne die sonst übliche Brückenschaltung arbeiten. Bei einem derartigen, beispielsweise aus der DE 197 33 984 A1 bekannten Verfahren und Vorrichtung tritt oftmals das Problem auf, daß die Drucksensoren relativ weit von der Meßdüse entfernt sind, da in der Nähe der Meßdüse kein ausreichender Platz hierfür vorhanden ist. Die Ansprechzeit der Meßanordnung ist daher entsprechend lang.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Ansprechzeit in einfacher und geschickter Weise kompensiert werden, so daß derartige Messungen mit verhältnismäßig geringem Aufwand beschleunigt werden können. Damit werden schnelle dynamische Längenmessungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung,

Fig. 1 das Grundprinzip einer pneumatischen Längenmessung ohne Brückenschaltung,

Fig. 2 der Einsatz einer solchen Meßanordnung mit erfindungsgemäßer Kompensationsvorrichtung, und

Fig. 3 eine Gegenüberstellung der kompensierten und der nicht kompensierten Meßwerte einer solchen Anordnung.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßanordnung zur Durchführung einer pneumatischen Längenmessung, wie sie beispielsweise in der DE 197 33 984 A1 beschrieben ist. Die dargestellte Meßanordnung umfaßt eine Vordüse 1, eine Meßdüse 2, einen vor der Vordüse 1 angeordneten ersten Drucksensor 3 und einen zwischen Vordüse 1 und Meßdüse 2 angeordneten zweiten Drucksensor 4. Vor der Luftaustrittsöffnung der Meßdüse 2 ist eine Prallplatte 5 stellvertretend für ein zu messendes Werkstück gezeigt.

Von einer nicht dargestellten Druckquelle wird dem System gemäß Pfeil 6 Druckluft zugeführt. Bei Änderung des Abstandes X zwischen Prallplatte 5 und Meßdüse 2 ändert sich der vom Drucksensor 4 gemessene Druckwert p2. Unter Berücksichtigung des vom ersten Drucksensor 3 gemessenen Druckwertes p1 wird hieraus der Abstand X bestimmt.

Fig. 2 zeigt die Anwendung des unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Prinzips zur Messung des Innendurchmessers D eines hohlen Gegenstandes 7. Ein Meßkopf 8 umfaßt zwei auf gegenüberliegenden Seiten liegende Luftaustrittsöffnungen 9, die über einen Druckkanal 10 mit einer an den Meßkopf 8 angeschlossenen Druckleitung 11 verbunden sind. Die Druckleitung 11 ist anderenends mit einem Transducer 12 verbunden, in welchem die Vordüse und die beiden Drucksensoren 13 und 14untergebracht sind, und der an eine Druckquelle angeschlossen ist. Der Signalausgang des Transducers 12 ist mit einer erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung 15 verbunden, deren Ausgang wiederum das Endsignal zur Verfügung stellt. Eine Erhöhung des Durchmessers D führt zu einem Abfall des gemessenen Druckes p2 und umgekehrt.

Die Kompensationsvorrichtung umfaßt insbesondere eine Schaltung, mit welcher die Kompensationsfunktion, bei der es sich erfindungsgemäß um eine Differentialgleichung erster Ordnung handelt, realisiert ist, sowie Mittel, um die Kompensationsfunktion mehrfach auf ein vom Transducer 12 geliefertes Ausgangssignal anzuwenden. Das heißt, auf das vom Transducer 12 gelieferte Signal wird die in der Schaltung festgelegte Differentialgleichung angewendet und auf das sich daraus ergebende Signal erneut diese Differentialgleichung und so fort, bis eine gewünschte Beschleunigung erreicht oder eine vorher festgelegte Anzahl von derartigen Korrekturschritten absolviert wurde.

Die in der Schaltung festgelegte Korrekturfunktion kann beispielsweise folgende Form aufweisen:





wobei S(t) der zu modifizierende Wert, S'(t) der modifizierte Wert und k eine Konstante ist. Für jeden Korrekturschritt ist dabei bevorzugt eine eigene Konstante k festgelegt, wobei diese Konstanten k für die jeweilige Anordnung entweder durch Versuche oder automatisch bestimmt werden können. Bevorzugt werden die Konstanten k dabei so bestimmt, daß nur wenige Korrekturschritte benötigt werden. Bei einem Hochdruckmeßverfahren der zuvor beschriebenen Art konnten mit vier Korrekturschritten und geeigneten Konstanten k gute Beschleunigungswerte erzielt werden.

Fig. 3 zeigt eine mit der Vorrichtung von Fig. 2 durchgeführte Messung des Innendurchmessers D des Gegenstandes 7. Hierfür wurde der Meßkopf 8 fünfmal mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in den Gegenstand 7 ein- und wieder ausgeführt. Die Schlauchlänge betrug bei Durchführung der Messung 1,5 m. Der Transducer wurde vor der Messung für den Nenndurchmesser D statisch auf Null justiert.

Fig. 3a zeigt das Meßergebnis unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung und Fig. 3b ohne Kompensation. Es ist klar erkennbar, daß der Meßwert mit der erfindungsgemäßen Kompensation deutlich schneller erreicht wird als ohne. Außerdem ist erkennbar, daß bei sehr kurzen Messungen mit erfindungsgemäßer Kompensation der Meßwert noch erreicht wird, während dies ohne Kompensation nicht mehr der Fall ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird also, wie dargestellt und ausgeführt, eine deutliche Beschleunigung der Messung erreicht. Damit können schnelle dynamische Messungen durchgeführt werden. Aufgrund des erfindungsgemäßen Kompensationsverfahrens ist die Kompensation unkompliziert und kann mit verhältnismäßig einfachen Schaltungen realisiert werden. Bezugszeichenliste 1 Vordüse

2 Meßdüse

3 erster Drucksensor

4 zweiter Drucksensor

5 Prallplatte

6 Pfeil

7 Gegenstand

8 Meßkopf

9 Luftaustrittsöffnung

10 Luftkanal

11 Luftleitung

12 Transducer

13 erster Drucksensor

14 zweiter Drucksensor

15 Kompensationsvorrichtung

X Abstand

D Durchmesser


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Kompensation des Übertragungsverhaltens einer Meß-, Regel- oder Steueranordnung, insbesondere einer dynamischen Längenmeßanordnung nach dem Hochdruckmeßverfahren, bei welchem die Ausgangswerte der Anordnung mit einer Korrekturfunktion modifiziert werden, die näherungsweise nach dem Übertragungsverhalten der Anordnung für die zugehörigen Eingangswerte bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als genäherte Korrekturfunktion eine - lineare Differentialgleichung erster Ordnung verwendet wird und daß die Ausgangswerte mehrmals nacheinander mit dieser Korrekturfunktion modifiziert werden, indem der modifizierte Ausgangswert erneut modifiziert wird und so fort.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wiederholt angewendete Korrekturfunktion folgende Form aufweist:





    wobei S(t) der zu modifizierende Wert, S'(t) der modifizierte Wert und k eine Konstante ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Korrekturschritt eine eigene Konstante k festgelegt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstanten k so bestimmt werden, daß für die gewünschte Korrektur möglichst wenig Korrekturschritte benötigt werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß geeignete Konstanten k für die Korrekturschritte durch Versuche bestimmt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß geeignete Konstanten k für die Korrekturschritte automatisch bestimmt werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im letzten Korrekturschritt die modifizierten Werte durch ein Dämpfungsglied, insbesondere einen Tiefpaß, geleitet werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Endwert der Korrektur über eine Zeitspanne gemittelt wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelung des Endwertes nach einer festlegbaren Vorlaufzeit begonnen wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelung auf ein von außen dem System zuführbares Startsignal begonnen wird.
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Mitteln zur Kompensation des Ausgangswertes, gegebenenfalls einem Dämpfungsglied, insbesondere einem Tiefpaß, und Mitteln zur Mittelung des modifizierten Wertes, sowie Mitteln zur Ausgabe des Endwertes.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Korrekturschritte einstellbar ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Startzeitpunkt der Mittelung einstellbar ist.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Dämpfung, insbesondere der Grenzwert des Tiefpasses, vorgebbar ist.
  15. 15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Längenmessung nach dem Hochdruckmeßverfahren, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung mit Vordüse (1) und Meßdüse (2), einem ersten Drucksensor (3) vor der Vordüse (1) und einem zweiten Drucksensor (4) zwischen Vordüse (1) und Meßdüse (2).
  16. 16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zur Längenmessung nach dem Hochdruckmeßverfahren, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung mit einer Vordüse (1), einer Meßdüse (2), einem ersten Drucksensor (3) vor der Vordüse (1) und einem zweiten Drucksensor (4) zwischen Vordüse (1) und Meßdüse (2).






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