-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Periodendauer
einer zeitlich periodischen Signalkomponente eines zumindest abschnittsweise
im wesentlichen periodischen, beispielsweise auch von einem Meßwandler
gelieferten, wenigstens eine physikalische und/oder chemische Meßgröße
repräsentierendes, Primärsignals. Ferner betrifft
die Erfindung das Verwenden der ermittelten Periodendauer zum Abschätzen
einer Signalfrequenz des Primärsignals oder zumindest einer
harmonischen Signalkomponente davon und/oder zum Ermitteln einer
physikalischen Meßgröße, insb. einer Massendurchflußrate,
einer Volumendurchflußrate und/oder einer Dichte, eines
in einer Leitung geführten oder in einem Behälter
vorgehaltenen Mediums, insb. eines Fluids.
-
In
der industriellen Prozeß-Meßtechnik werden, insb.
auch im Zusammenhang mit der Automatisierung chemischer oder verfahrenstechnischer Prozesse,
zur Erfassung von prozeßbeschreibenden Meßgrößen
und zur Erzeugung von diese repräsentierenden Meßwertsignalen
prozeßnah installierte Meßsysteme verwendet, die
jeweils direkt an oder in einer von Medium durchströmten
Prozeßleitung angebracht sind. Bei den jeweils zu erfassenden
Meßgrößen kann es sich beispielsweise
um einen Massendurchfluß, einen Volumendurchfluß,
eine Strömungsgeschwindigkeit, eine Dichte, eine Viskosität oder
eine Temperatur oder dergleichen, eines flüssigen, pulver-,
dampf- oder gasförmigen Prozeß-Mediums handeln,
das in einer solchen, beispielsweise als Rohrleitung ausgebildeten,
Prozeßleitung geführt bzw. vorgehalten wird.
-
Bei
den Meßsystemen handelt es sich oftmals um solche, bei
denen In-Line-Meßgeräte mit magnetisch-induktiven
Meßaufnehmern oder die Laufzeit von in Strömungsrichtung
ausgesendeten Ultraschallwellen auswertende, insb. auch nach dem Doppler-Prinzip
arbeitende, Meßaufnehmern, mit Meßaufnehmern vom
Vibrationstyp, insb. Coriolis-Massedurchflußaufnehmer,
Dichteaufnehmer, oder dergleichen verwendet werden. Der prinzipielle Aufbau
und die Funktionsweise von magnetisch-induktiven Meßaufnehmer
ist z. B. in der
EP-A
1 039 269 ,
US-A
60 31 740 ,
US-A
55 40 103 ,
US-A
53 51 554 ,
US-A
45 63 904 oder solcher Ultraschall-Meßaufnehmer
z. B. in der
US-B 63
97 683 , der
US-B
63 30 831 , der
US-B
62 93 156 , der
US-B
61 89 389 , der
US-A
55 31 124 , der
US-A
54 63 905 , der
US-A
51 31 279 , der
US-A
47 87 252 hinlänglich beschrieben und überdies
dem Fachmann ebenfalls hinreichend bekannt sind, kann an dieser
Stelle auf eine detailliertere Erläuterung dieser Meßprinzipien
verzichtet werden. Weiterführende Beispiele für
derartige, dem Fachmann an und für sich bekannte, insb.
mittels kompakter In-line-Meßgeräte gebildet,
Meßsysteme sind zudem u. a. in der
EP-A 984 248 ,
GB-A 21 42 725 ,
US-A 43 08 754 ,
US-A 44 20 983 ,
US-A 44 68 971 ,
US-A 45 24 610 ,
US-A 47 16 770 ,
US-A 47 68 384 ,
US-A 50 52 229 ,
US-A 50 52 230 ,
US-A 51 31 279 ,
US-A 52 31 884 ,
US-A 53 59 881 ,
US-A 54 58 005 ,
US-A 54 69 748 ,
US-A 56 87 100 ,
US-A 57 96 011 ,
US-A 58 08 209 ,
US-A 60 03 384 ,
US-A 60 53 054 ,
US-A 60 06 609 ,
US-B 63 52 000 ,
US-B 63 97 683 ,
US-B 65 13 393 ,
US-B 66 44 132 ,
US-B 66 51 513 ,
US-B 67 99 476 ,
US-B 68 80 410 ,
US-B 69 10 387 ,
US-A 2007/0163361 ,
US-A 2005/0092101 ,
WO-A 88/02 476 ,
WO-A 88/02 853 ,
WO-A 95/16 897 ,
WO-A 00/36 379 ,
WO-A 00/14 485 ,
WO-A 01/02816 oder
WO-A 02/086 426 detailiert
beschrieben.
-
Zum
Erfassen der jeweiligen Meßgrößen weisen
Meßsysteme der in Rede stehenden Art jeweils eine Meßgerät-Elektronik
sowie einen entsprechenden, mit der Meßgerät-Elektronik
elektrisch verbundenen Meßaufnehmer auf, der in den Verlauf
einer Medium führenden Prozeßleitung eingesetzt
ist, und der dazu dient, zumindest auf die primär zu erfassende
Meßgröße entsprechend reagierend, wenigstens
ein die primäre Meßgröße möglichst
genau repräsentierendes, insb. elektrisches, Meßsignal
zu erzeugen. Dafür ist der Meßaufnehmer üblicherweise mit
einem in den Verlauf der jeweiligen Prozeßleitung, dem
Führen von strömendem Medium dienenden Meßrohr
sowie eine entsprechende physikalisch-elektrische Sensoranordnung
ausgestattet. Diese wiederum weist wenigstens ein primär
auf die zu erfassende Meßgröße oder auch Änderungen
derselben reagierenden Sensorelement auf, mittels dem im Betrieb
wenigstens ein von der Meßgröße entsprechend
beeinflußtes Meßsignal erzeugt wird. Zur Weiterverarbeitung
oder Auswertung des wenigstens einen Meßsignals ist der
Meßaufnehmer ferner mit einer dafür entsprechend
geeigneten, in der Meßgerät-Elektronik vorgesehenen
Meßschaltung verbunden. Die mit dem Meßaufnehmer
in geeigneter Weise kommunizierende Meßschaltung erzeugt
im Betrieb des Meßsystems unter Verwendung des wenigstens einen
Meßsignals zumindest zeitweise wenigstens einen die Meßgröße
momentan repräsentierenden Meßwert, beispielsweise
also einen Massendurchfluß-Meßwert, Volumendurchfluß-Meßwert,
einen Dichte-Meßwert, einen Viskositäts-Meßwert,
einen Druck-Meßwert, einen Temperatur-Meßwert
oder dergleichen. Zum Anzeigen der Meßwerte, und ggf. auch
anderer Betriebsdaten des Meßsystems, sowie zum Bedienen
des Meßsystems vor Ort ist in der Meßgerät-Elektronik
ferner zumeist eine entsprechende Anzeige- und Bedieneinheit vorgesehen.
-
Zur
Aufnahme der Meßgerät-Elektronik umfassen solche
Meßsysteme ferner ein entsprechendes Elektronik-Gehäuse,
das, wie z. B. in der
US-A 63
97 683 oder der
WO-A
00/36 379 vorgeschlagen, vom Meßaufnehmer entfernt
angeordnet und mit diesem nur über eine flexible Leitung
verbunden sein kann: Alternativ dazu kann das Elektronik-Gehäuse aber
auch, wie z. B. auch in der
EP-A
903 651 oder der
EP-A
1 008 836 gezeigt, unter Bildung eines kompakten In-Line-Meßgeräts – beispielsweise
eines Coriolis-Massedurchfluß-/Dichte-Meßgeräts,
eines Ultraschall-Durchflußmeßgeräts,
eines Vortex-Durchflußmeßgeräts, eines
thermischen Durchflußmeßgeräts, eines
Magnetisch-induktiven Durchflußmeßgerät
oder dergleichen – direkt am Meßaufnehmer oder
einem den Meßaufnehmer separat einhausenden Meßaufnehmer-Gehäuse
angeordnet sein. In letzterem Fall dient das
-
Elektronik-Gehäuse,
wie beispielsweise in der
EP-A
984 248 , der
US-A
47 16 770 oder der
US-A 63
52 000 gezeigt, oftmals auch dazu, einige mechanische Komponenten
des Meßaufnehmers mit aufzunehmen, wie z. B. sich unter
mechanischer Einwirkung betriebsmäßig verformende
membran-, stab-, hülsen- oder rohrförmige Deformation-
oder Vibrationskörper, vgl. hierzu auch die eingangs erwähnte
US-B 63 52 000 .
-
Meßsysteme
der beschriebenen Art sind darüber hinaus üblicherweise über
ein an die Meßgerät-Elektronik angeschlossenes
Datenübertragungs-System miteinander und/oder mit entsprechenden
Prozeß-Leitrechnern verbunden, wohin sie die Meßwertsignale
z. B. via (4 mA bis 20 mA)-Stromschleife und/oder via digitalen
Daten-Bus senden. Als Datenübertragungs-Systeme dienen
hierbei, insb. serielle, Feldbus-Systeme, wie z. B. PROFIBUS-PA,
FOUNDATION FIELDBUS sowie die entsprechenden Übertragungs-Protokolle.
Mittels der Prozeß-Leitrechner können die übertragenen
Meßwertsignale weiterverarbeitet und als entsprechende Meßergebnisse
z. B. auf Monitoren visualisiert und/oder in Steuersignale für
Prozeß-Stellglieder, wie z. B. Magnet-Ventile, Elektro-Motoren
etc., umgewandelt werden.
-
Bei
Meßgeräten mit geringer Leistungsaufnahme, beispielsweise
solchen von intrinsischer Sicherheit und/oder solchen in (4 mA bis
20 mA-)Zweileiter-Technologie ausgebildeten, steht zumeist auch nur
eine vergleichsweise geringe Leistung für die Abtastung
und Digitalisierung der analogen Meßsignale zur Verfügung.
So wird beispielsweise in der erwähnten
US-B 67 99 476 sogar vorgeschlagen,
bei einem in Zweileiter-Technologie ausgeführten Meßgerät
die Abtastfrequenz, mit der ein die Abtastung und Digitalisierung
realisierender Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) getaktet ist,
in Abhängigkeit von der verfügbaren elektrischen
Leistung zu steuern. Durch die Verwendung einer geringeren Abtastfrequenz kann
so die in dem A/D-Wandler verbrauchte elektrische Leistung verringert
werden, allerdings zu Lasten der zeitlichen Auflösung mit
der das Meßsignal gewandelt wird.
-
Infolgedessen
kann ein größerer Anteil der im Meßgerät
momentan insgesamt verfügbaren elektrischen Leistung anderen
elektrische Leistung aufnehmenden Komponenten des Meßgeräts überlassen
werden. Für den Fall, daß für die Ermittlung
der primären Meßgröße eine Periodendauer
bzw. eine Schwingungsfrequenz des anlogen Meßsignals, beispielsweise
eine Frequenz einer ausgewählten harmonischen Signalkomponente
des Meßsignals, von besonderem Interesse ist, z. B. für
die Dichtemessung mittels Coriolis-Massedurchflußmeßgeräten oder
für die Durchflußmessung mittels Wirbel-Durchflußmeßgeräten,
kann diese mit der Absenkung der Abtastrate einhergehend gröber
werdende zeitliche Abtastung des Meßsignals gegebenenfalls
zu unerwünscht hohen Meßungenauigkeiten führen.
-
Eine
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren anzugeben,
mittels dem die Periodendauer von analogen Meßsignalen
oder von zeitlich periodischen, insb. harmonischen, Signalkomponenten
davon trotz vergleichsweise geringer Abtastrate des jeweiligen Meßsignals
und damit einhergehend entsprechend grober zeitlicher Auflösung desselben,
insb. auch bei möglichst geringem Rechenaufwand und/oder
möglichst zeitnah, hochgenau bestimmt werden kann.
-
Zur
Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einem Verfahren
zum Ermitteln einer Periodendauer eines zumindest abschnittsweise
im wesentlichen periodischen, insb. von einem Meßwandler
gelieferten, wenigstens eine physikalische und/oder chemische Meßgröße
repräsentierendes, Primärsignals, wobei das Verfahren
folgende Schritte umfaßt:
- – Generieren
eines Referenztaktsignals;
- – Erzeugen einer mit dem Referenztaktsignal synchronisierten
digitalen Abtastfolge diskreter, insb. zeitlich äquidistanter,
Abtastwerte vom Primärsignal, die einen sich über
zumindest eine Meßperiode des Primärsignals erstreckenden
Abschnitt des Primärsignals repräsentiert;
- – Ermitteln einer Anzahl innerhalb der Meßperiode
liegender vollständiger Takte des Referenztaktsignals;
- – Ermitteln eines als erster Bezugswert dienenden Abtastwerts,
insb. eines ersten innerhalb eines mit der Meßperiode korrespondierenden
Abtastintervalls liegenden der diskreten Abtastwerte, welcher erster
Bezugswert das Primärsignal zu einem vorgegebenen, insb.
einem ersten innerhalb der Meßperiode liegenden und/oder
mit einem Nulldurchgang des Primärsignals korrespondierenden,
Takt des Referenzsignals repräsentiert;
- – Ermitteln eines, insb. innerhalb der Periode liegenden,
vom ersten Bezugswert verschiedenen zweiten Bezugswerts, der eine
Amplitude des Primärsignals repräsentiert; sowie
- – Bestimmen der Periodendauer basierend auf der Anzahl,
dem ersten Bezugswert sowie dem zweiten Bezugswert.
-
Nach
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters einen Schritt des Ermittelns wenigstens eines Quotientenwerts,
der ein Verhältnis des ersten Bezugswerts zum zweiten Bezugswert
repräsentiert. Diese Ausgestaltung der Erfindung weiterbildend
ist ferner vorgesehen, daß die Periodendauer auch basierend
auf dem Quotientenwert ermittelt wird.
-
Nach
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters einen Schritt des Ermittelns eines sowohl vom ersten Bezugswert
als auch vom zweiten Bezugswert verschiedenen, als dritter Bezugswert
dienenden Abtastwerts, insb. eines ersten außerhalb des
mit der Meßperiode korrespondierenden Abtastintervalls
liegenden der diskreten Abtastwerte, welcher dritter Bezugswert
das Primärsignal zu einem vorgegebenen, insb. einem ersten
wieder außerhalb der Meßperiode liegenden und/oder
mit einem Nulldurchgang des Primärsignals korrespondierenden,
Takt des Referenzsignals repräsentiert. Diese Ausgestaltung
der Erfindung weiterbildend umfaßt das Verfahren weiters
wenigstens einen der folgenden Schritte:
- – Verwenden
auch des dritten Bezugswerts zur Ermittlung der Periodendauer;
- – Ermittelns eines Differenzwerts, der eine Differenz
zwischen dem ersten Bezugswert und dem dritten Bezugswert repräsentiert;
- – Selektieren, insb. Speicherns, des als dritter Bezugswert
dienenden Abtastwerts von der Abtastfolge;
- – Vergleichen von Abtastwerten der Abtastfolge mit
wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert zum Ermitteln des als
dritter Bezugswert dienenden Abtastwerts der Abtastfolge;
- – Verwenden jeweils ein und desselben vorgegebenen
Schwellenwerts zum Ermitteln des als erster Bezugswert dienenden
Abtastwerts der Abtastfolge wie auch zum Ermitteln des als dritter Bezugswert
dienenden Abtastwerts der Abtastfolge.
-
Nach
einer dritten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters einen Schritt des Ermittelns einer, insb. mit einer Taktrate
des Referenztaktsignals korrespondierenden, Abtastfrequenz mit der
das Primärsignal zwecks Erzeugung der Abtastfolge abgetastet
und digitalisiert wird.
-
Nach
einer vierten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters einen Schritt des Vergleichens von Abtastwerten der Abtastfolge
mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert zum Ermitteln des
als erster Bezugswert dienenden Abtastwerts der Abtastfolge und/oder
zum Ermitteln der Anzahl von innerhalb der Meßperiode liegenden Abtastwerten.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weiterbildend umfaßt
das Verfahren.
-
Nach
einer fünften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt
das Verfahren, weiters einen Schritt des Startens eines Zählers,
insb. eines Dualzählers oder eines BCD-Zählers,
zwecks Ermitteln der Anzahl von innerhalb der Meßperiode
liegender vollständiger Takte des Referenztaktsignals.
-
Nach
einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters Schritte des, insb. flüchtigen, Speichern eines
sich zumindest über die Meßperiode erstreckenden
Abschnitts des Referenztaktsignals sowie des Verwenden des gespeicherten
Abschnitts des Referenztaktsignals zum Ermitteln der Anzahl von
innerhalb der Meßperiode liegender vollständiger
Takte des Referenztaktsignals.
-
Nach
einer siebenten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das
Verfahren, weiters einen Schritt des Selektierens des als erster
Bezugswert dienenden Abtastwerts von der Abtastfolge.
-
Nach
einer achten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters einen Schritt des Speicherns des als erster Bezugswert dienenden
Abtastwerts von der Abtastfolge.
-
Nach
einer neunten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters einen Schritt des Selektierens, insb. Speicherns, des als
zweiter Bezugswert dienenden Abtastwerts von der Abtastfolge.
-
Nach
einer zehnten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren,
weiters einen Schritt des Speicherns des als zweiter Bezugswert
dienenden Abtastwerts von der Abtastfolge.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren ist im besondern auch
dafür geeignet und vorgesehen, basierend auf der wie vor
ermittelten Periodendauer, eine Signalfrequenz des Primärsignals
oder zumindest einer harmonischen Signalkomponente davon abzuschätzen
und/oder eine physikalischen Meßgröße, insb.
einer Massendurchflußrate, einer Volumendurchflußrate und/oder
einer Dichte, eines in einer Leitung geführten oder in
einem Behälter vorgehaltenen Mediums, insb. eines Fluids,
zu ermitteln.
-
Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen davon werden
nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt
sind. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen;
wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig
sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen
in nachfolgenden Figuren verzichtet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
oder Weiterbildungen, insb. auch Kombinationen zunächst
nur einzeln erläuterter Teilaspekte der Erfindung, ergeben
sich ferner aus den Figuren der Zeichnung wie auch den Unteransprüchen
an sich.
-
Im
einzelnen zeigen
-
1 einen
Abschnitt eines im wesentlichen periodischen Primärsignals
sowie eine dieses repräsentierende Abtastfolge diskreter
Abtastwerte des Primärsignals; und
-
2 in
schematisch nach Art eines Blockschaltbildes eines das Primärsignal
bzw. die Abtastfolge gemäß 1 liefernden
und weiterverarbeitenden Meßsystems mit einem Meßwandler
zum Erfassen wenigstens einer physikalischen Meßgröße.
-
In
der 1 ist schematisch und in idealisierter Form ein
zumindest abschnittsweise im wesentlichen periodisches Primärsignal
u dargestellt, von dem eine Periodendauer T ermittelt werden soll.
Das Primärsignal u ist gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung von einem Meßwandler 10 mit wenigstens
einem physikalisch-zu-elektrisch Wandlerelement 101, wie
etwa einem Meßwandler vom Vibrationstyp mit schwingendem
Meßrohr und zugehöriger Spulenanordnung, einem
Wirbeldurchflußmesser oder dergleichen, geliefert, und
repräsentiert – insoweit als analoges Meßsignal dienend – wenigstens
eine mittels des Meßwandlers erfaßte physikalische
und/oder chemische Meßgröße, wie etwa
eine Massen- oder Volumendurchflußrate und/oder eine Dichte
eines in einer Leitung, insb. einer Rohrleitung, strömenden und/oder
in einem Behälter vorgehaltenen Mediums, insb. eines Fluids.
-
Zur
Ermittlung der gesuchten Periodendauer T wird das Primärsignal
u zunächst mittels eines von einem Referenztaktsignal clk
entsprechend getakteten A/D-Wandlers digitalisiert, ggf. nach einer
vorherigenn Filterung, und in eine korrespondierende, mit dem die
Abtastrate vorgebenden Referenztaktsignal clk entsprechend synchronisierte
digitale Abtastfolge uD diskreter, zeitlich
möglichst äquidistanter Abtastwerte Un konvertiert.
Zum Generieren des Referenztaktsignals clk kann beispielsweise ein
herkömmlicher quarzgesteuerter Taktgenerator dienen, ggf. auch
ein solcher, mit einstellbarer Taktfrequenz. Die Digitalisierung
des analogen Primärsignal u kann hierbei im besonderen
auch mit einer im Vergleich zu bei konventionellen Meßwandlern
angewandten Meßverfahren geringen Abtastrate – hier
in der Größenordnung von etwa 4800 Hz – erfolgen,
einhergehend mit einer relativ groben zeitlichen Auflösung – hier
etwa 1 Hz/4800 ≈ 208 μs.
-
Die
ausgangs des A/D-Wandlers anstehende, ggf. als digitales Meßsignal
dienende, Abtastfolge uD ist einem nachfolgenden,
beispielsweise mittels eines digitalen Signalprozessors (DSP) und/oder
eines, ggf. auch vor Ort, programmierbaren Logikbaustein (FPGA)
und/oder eines kundenspezifisch programmierten Logikbaustein (ASIC)
gebildeten, Mikrocomputer μC der Meßschaltung 201 mit
einem Steuer- und Betriebsprogramme vorhaltenden nicht-flüchtigen
Speicher EEPROM zugeführt. Der Mikrocomputer μC
weist zudem wenigstens einen flüchtigen Speicher RAM mit
einer für die temporäre Speicherung von zumindest
zwei, insb. aber von drei oder mehr, Perioden 2π der Abtastfolge
uD ausreichende Speicherkapazität
auf. Zumindest zum Zwecke der Ermittlung der gesuchten Periodendauer
T des Primärsignals u wird im Betrieb zumindest zeitweise
wenigstens ein Ensemble diskreter Abtastwerte der Abtastfolge uD in den flüchtigen Speicher RAM geladen
und dort temporär vorgehalten, das einen Abtastintervall
aktuell repräsentiert, der sich wenigstens über
eine, insb. aber mehr als eine, Periode 2π der Abtastfolge
uD erstreckt. Mikrocomputer μC
und A/D-Wandler können beispielsweise Komponenten einer
in einer Meßgerät-Elektronik 20 vorgesehenen digitalen
Meßschaltung 201 sein, welche Meßgerät-Elektronik 20,
wie auch in 2 schematisch dargestellt, unter
Bildung eines Meßsystems für physikalische Meßgrößen
mit dem Meßwandler 10, insb. dessen wenigstens
einem Wandlerelement 101, im Betrieb elektrisch verbunden
ist. Zwecks Übermittlung von Meß- und Betriebdaten
kann die Meßgerät-Elektronik 20 beispielsweise über
eine mit der Meßschaltung verbundene Schnittstellenschaltung COM
mit einem übergeordneten elektronischen Datenverabeitungssystem – drahtgebunden
und/oder drahtlos per Funk – im Betrieb kommunizieren,
beispielsweise basierend auf in der industriellen Meß- und
Automatisierungstechnik etablierten Feldbus-Protokollen. Zur Anzeige
von Meß und/oder Betriebsdaten bzw. zur Bedienung vor Ort
kann die Meßgerät-Elektronik ferner eine entsprechende
Anzeige-/Bedieneinheit HMI aufweisen.
-
Um
die in der industriellen Meßtechnik die im besonderen geforderte
hohe Meßgenauigkeit für die zumeist als Basis
für die nachgelagerte Ermittlung der eigentlichen Meßgrößen
dienende Frequenzmessung auch bei einer vergleichsweise geringen Abtastrate
für das Primärsignal u gewährleisten
zu können, ist beim erfindungsgemäßen
Verfahren ferner vorgesehen, die momentane Periodendauer T des Primärsignals
u basierend sowohl auf einer aktuell ermittelten Anzahl N von innerhalb
der Meßperiode 2π tatsächlich liegender
vollständiger Takte CLKn des Referenztaktsignals
clk als auch auf wenigstens zwei anhand der Abtastfolge ermittelten,
voneinander verschiedenen Bezugswerten für das Primärsignal
zu bestimmen. Als ein erster Bezugswert UTRG1 dient
hierbei im besonderen ein Abtastwert der Abtastfolge uD,
der eine Magnitude des Primärsignals u zu einem vorgegebenen,
beispielsweise den Startpunkt des aktuell untersuchten Abtastintervalls
repräsentierenden, Takt CLK1 des
Referenzsignals clk repräsentiert, während als
ein zweiter Bezugswert UMAX ein solcher,
beispielsweise aus der Abtastfolge unmittelbar ausgewählter
oder aber auch anhand der Abtastfolge geschätzter, numerischer
Wert dient, der eine – direkt erfaßte oder ggf.
auch geschätzte – Amplitude des Primärsignals
u, insb. innerhalb des aktuell untersuchten Abtastintervalls, repräsentiert.
Zum Schätzen der Amplitude kann beispielsweise ein einfaches
Parabelfit-Verfahren angewendet werden, bei dem in ein Ensemble
von dem Bereich der erwarteten oder angenommenen Amplitude entsprechenden Abtastwerten
eine Parabel oder eine andere Ausgleichsfunktion von geradzahliger
Ordnung eingepaßt, etwa nach der Methode der kleinsten
Fehlerquadrate, und entsprechend numerisch abgeleitet wird, etwa
unter Bildung eines entsprechenden Differenzenquotienten.
-
Als
für die Bestimmung der Periodendauer ausreichend verläßlicher
erster Bezugswert UTRG1 kann beispielsweise
ein zeitlich gesehen erster Abtastwert U1 aller
innerhalb des mit der aktuell untersuchten Meßperiode 2π korrespondierenden
Abtastintervalls liegender diskreten Abtastwerte Un der
Abtastfolge uD dienen, jener Abtastwert
aus der Abtastfolge uD also, der dem ersten
tatsächlich innerhalb der Meßperiode 2π liegenden
Takt des Referenztaktsignals zugeordnet ist. Dieser als Bezugswert
UTRG1 dienende Abtastwert kann beispielsweise
dadurch auf einfache Weise ausreichend genau ermittelt werden, daß das
Primärsignal u selbst und/oder die einzelnen Abtastwerte
Un der Abtastfolge uD jeweils
mit einem vorab und/oder im Betrieb gesetzten Schwellenwert UREF verglichen und der dem erstmaligen Überschreiten
des Schwellenwerts UREF entsprechende Abtastwert
aus dem aktuelle Abtastintervall als Bezugswert UTRG1 selektiert
wird. Alternativ dazu kann aber beispielsweise auch ein zeitlich
gesehen letzter Abtastwert UN aller innerhalb
des mit der aktuell untersuchten Meßperiode 2π korrespondierenden Abtastintervalls
liegender diskreten Abtastwerte Un der Abtastfolge
uD dienen, jener Abtastwert aus der Abtastfolge
uD also, der dem letzten tatsächlich
innerhalb der Meßperiode 2π liegenden Takt des
Referenztaktsignals clk zugeordnet ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ist ferner vorgesehen zumindest den als erster Bezugswert
UTRG1 dienenden Abtastwert von der Abtastfolge
uD in den erwähnten Speicher RAM
des Mikrocomputers μC zu laden und dort zumindest temporär
für weitere Berechnungen, insb. auch die Ermittlung der
gesuchten Periodendauer T vorzuhalten.
-
In
Anbetracht dessen, daß das Primärsignals u für
das aktuell untersuchten Abtastintervall bestimmungsgemäß als
zumindest periodisch wie auch ausgeprägte harmonische Komponenten
aufweisend vorausgesetzt ist, kann der Schwellenwert UREF beispielsweise
so gesetzt sein, daß er im wesentlichen mit einem Nulldurchgang
des Primärsignals u oder einem momentanen zeitlichen Mittelwert
(Offset) des Primärsignals u korrespondiert, der anhand
eines Ensembles von dem aktuellen Abtastintervall vorangehenden
Abtastwerten und/oder anhand des Ensembles dem aktuellen Abtastintervall
entsprechenden Abtastwerten geschätzt ist.
-
Der
zweite Bezugswert UMAx wiederum kann auf
einfache Weise beispielsweise dadurch ermittelt werden, daß ein
innerhalb des aktuell untersuchten Abtastintervall, insb. in der
Nähe der halben Abtastintervallbreite, liegender maximaler
Wert aus der Abtastfolge selektiert und unmittelbar als Bezugswert UMAX verwendet wird. Zur Verbesserung der
Verläßlichkeit des Bezugswerts UMAX kann,
wie bereits angedeutet, ferner auch für ein aus dem Bereich
der halben Abtastintervallbreite ausgewähltes, den vorgenannten
maximalen Wert ggf. auch mitumfassendes oder ggf. auch ausdrücklich
ausschließendes, Ensemble von drei oder mehr Abtastwerten
eine den Verlauf des Primärsignal u für diesen
Bereich des Abtastintervalls entsprechend approximierende, beispielsweise
quadratische, Ausgleichsfunktion ermittelt werden. Der Bezugswert
UMAX kann dann in der Weise bestimmt werden,
daß anhand von Funktionskoeffizienten dieser, z. B. als
Parabelfunktion angesetzten, Ausgleichsfunktion deren lokales Maximum im
ausgewählten Bereich errechnet und als Schätzwert
für das Maximum der Abtastolge im aktuell untersuchten
Abtastintervall übernommen wird. Zur Vereinfachung der
Berechung der Periodendauer T ist nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ferner vorgesehen, den als zweiter Bezugswert UMAX dienenden Abtastwert von der Abtastolge
uD. zumindest temporär zu Speichern,
etwa im oben erwähnten RAM-Speichers.
-
Das
Ermitteln der Anzahl N der innerhalb der Meßperiode 2π liegenden
vollständigen Takte CLKn des Referenztaktsignals
clk wiederum kann in einfacher Weise z. B. durch Mitlaufenlassen
eines definiert gestarteten Zählers, beispielsweise eines
Dualzählers oder auch eines BCD-Zählers, beim
Akkumulieren der Abtastolge uD in den Speicher
erfolgen. Der Zähler kann bei erstmaligem Überschreiten
des entsprechend – beispielsweise nahe der korrespondierenden
Nulldurchgangs- bzw. der Offsetlinie des als zumindest abschnittsweise
periodisch und überwiegend harmonisch angenommen Primärsignals
u – gesetzten Schwellenwerts UREF durch
das Primärsignal u bzw. durch die Abtastolge uD – hier
also durch den dem erster Bezugswert UTRG1 entsprechenden Abtastwert – entsprechend
getriggert und bei wiederholtem Überschreiten selbigen
Schwellenwerts UREF nach verstreichen einer
etwa mit der Meßperiode 2π einhergehenden Zeit
durch die Abtastfolge uD in gleicher Richtung
wie zuvor beim Starten durch den erster Bezugswert UTRG1 wieder
gestoppt werden. Dementsprechend ist nach einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung vorgesehen, zum Ermitteln des als erster Bezugswert UTRG1 dienenden Abtastwerts der Abtastolge
uD bzw. zum Ermitteln der Anzahl N von innerhalb
der Meßperiode 2π liegenden Abtastwerten die einzelnen
Abtastwerte Un der Abtastfolge uD jeweils mit dem wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert
UREF zu vergleichen. Alternativ oder in Ergänzung
zur vorgenannten Verwendung eines Zähler zum Ermitteln
der Anzahl N, ist ferner auch möglich, ein sich zumindest über die
Meßperiode 2π erstreckender Abschnitt des Referenztaktsignals
clk, insb. flüchtig, zu speichern und den gespeicherten Abschnitt
des Referenztaktsignals clk zum Ermitteln der Anzahl N von innerhalb
der Meßperiode 2π liegender vollständiger
Takte CLKn des Referenztaktsignals clk entsprechend
heranzuziehen, etwa durch einfaches Auszählen der mit Abschnitt
des Referenztaktsignals clk entsprechend belegten Speicherplätze
im RAM-Speicher. Darüberhinaus besteht eine weitere Möglichkeit
zur Ermittlung der Anzahl N auch darin, lediglich die Takte bzw.
belegten Speicherplätze innerhalb des sich zwischen dem
ersten und zweiten Bezugswert UTRG1, UMax erstreckenden Intervalls zu zählen
und mit einem die gesamte Meßperiode 2π entsprechend
auffüllenden Faktor – bei Verwendung des ersten
Nulldurchgangs und des lokalen Maximums als Bezugswert also dem
Faktor 2 – zu multiplizieren.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die gesuchte
Periodendauer T unter Verwendung der ermittelten Anzahl N, des ersten
und zweiten Bezugswerts U
TRG1, U
MAX sowie in Kenntnis der Abtastfrequenz
F
a mit der das Primärsignal u zwecks
Erzeugung der Abtastfolge u
D abgetastet
und digitalisiert wird, zu ermitteln, und zwar in der Annahme einer
weitgehend harmonischen Ausprägung des Primärsignals
u basierend auf der Funktion:
-
Dafür
ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen auch
die, insb. mit einer Taktrate des Referenztaktsignals clk korrespondierenden,
Abtastfrequenz Fa mit der das Primärsignal
u zwecks Erzeugung der Abtastfolge uD abgetastet
und digitalisiert wird, im Betrieb, ggf. auch wiederkehrend, zu
ermitteln und inform eines numerischen Werts im Mikrocomputer μC
entsprechenden vorzuhalten. Darüberhinaus wird im Betrieb
ferner wenigstens ein Quotientenwert ermittelt, der ein Verhältnis, UTRG1/UMAX, des ersten
Bezugswerts UTRG1 zum zweiten Bezugswert
UMAX repräsentiert und schließlich
zur Berechnung der Periodendauer T entsprechend verwendet. Demnach
können unter der Annahme, daß das Meßsignal
u im beobachteten Bereich im wesentlichen harmonisch ausgebildet
ist, allein in Kenntnis dessen sowie einiger weniger, im Betrieb von
Meßgeräten der in Rede stehenden Art ohne weiteres
erhältlicher Meßparameter – nämlich
ein Start- bzw. Endwert und ein Amplitudenwert für eine den
untersuchten Meßsignalabschnitt sowie die der Digitalisierung
des Primärsignals u zugrundeliegende Abtastfrequenz Fa – der tatsächliche Verlauf
Meßsignal u ausreichend genau approximiert und davon abgeleitet
auch die gesuchte Periodendauer T ausreichend genau geschätzt
werden. Es hat sich hierbei überraschenderweise gezeigt,
daß die Meßungenauigkeit für gesuchte
Periodendauer T bei dem auf der Approximation basierenden Schätzung
weitaus geringer ausfallen kann, als beispielsweise bei einer herkömmlichen
Ausmessung der Nulldurchgänge des Meßsignals u
bzw. dessen der Abtastfolge uD.
-
Alternativ
oder in Ergänzung zu der vorgenannten Verwendung eines
einfachen Zählers zur Bestimmung der Anzahl N kann diese
zwecks einer weiteren Verbesserung der mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens erzielbaren Meßgenauigkeit bei Verwendung eines
ausreichend schnellen Speichers RAM mit ausreichend großer
Speicherkapazität beispielsweise auch dadurch erfolgen,
daß die Abtastfolge uD zunächst
im Speicher RAM zwischengespeichert und die mit dem aktuell untersuchten
Abtastintervall der Abtastfolge uD tatsächlich
belegten Speicherplätze nachträglich ausgezählt
werden.
-
Dafür
ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ferner vorgesehen,
einen sowohl vom ersten Bezugswert UTRG1 als
auch vom zweiten Bezugswert UMAX verschiedenen,
als dritter Bezugswert UTRG2 dienenden Abtastwert
zu ermitteln bzw. zur Ermittlung der Periodendauer T entsprechend
zu verwenden, welcher Abtast- bzw. Bezugswert UTRG2 das Primärsignal
u zu einem vorgegebenen Takt des Referenzsignals clk repräsentiert.
Der gesuchte Takt, mit dem der Bezugswert UTRG2 korrespondiert,
kann der Einfachheit halber beispielsweise jener Takt des Referenzsignals
clk sein, der einem ersten wieder außerhalb der Meßperiode
2π liegenden Abtastwert bzw. einem Nulldurchgang des Primärsignals
u entspricht. Dementsprechend kann also als dritter Bezugswert UTRG2 jener der diskreten Abtastwerte Un dienen, der als erster außerhalb
des mit der Meßperiode 2π korrespondierenden Abtastintervalls
liegt, jener Abtastwert also, der als erster wieder über
dem gleichen vorgegebene Schwellenwert UREF liegt
oder aber auch jenen Abtastwert der als erster einen zum Schwellenwert
UREF komplementären Schwellenwert –UREF überschreitet. Der dritte Bezugswert
UTRG2 kann, falls erforderlich, wiederum
im Speicher RAM temporär vorgehalten werden.
-
Zur
weiteren Verbesserung der Genauigkeit mit der die Periodendauer
T ermittelt wird, ist ferner vorgesehen anstelle des einzelnen Bezugswerts U
TRG1 einen Differenzwert ΔU
TRG, der eine Differenz, U
TRG1 – U
TRG2, zwischen dem ersten Bezugswert U
TRG1 und dem zweiten Bezugswert U
TRG2 repräsentiert, zu verwenden,
um so den mit der diskreten Abtastung des Primärsignals
u einhergehenden Fehler zu verringern. Demnach wird nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung die Periodendauer T basierend auf Funktion:
ermittelt.
-
Ferner
ist auch möglich, die die Abtastfolge uD und
insoweit das Meßsignal u beschreibenden Parameter N, Fa, UTRG1, Umax etc. in einen im Meßgerät entsprechend
Funktionsgenerator einzugeben und basierend darauf ein künstliches
Meßsignal mit bekannter Periodendauer erzeugen zu lassen,
die wiederum als Schätzwert für die gesuchte Periodendauer
T dienen kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1039269
A [0003]
- - US 6031740 A [0003]
- - US 5540103 A [0003]
- - US 5351554 A [0003]
- - US 4563904 A [0003]
- - US 6397683 B [0003, 0003]
- - US 6330831 B [0003]
- - US 6293156 B [0003]
- - US 6189389 B [0003]
- - US 5531124 A [0003]
- - US 5463905 A [0003]
- - US 5131279 A [0003, 0003]
- - US 4787252 A [0003]
- - EP 984248 A [0003, 0006]
- - GB 2142725 A [0003]
- - US 4308754 A [0003]
- - US 4420983 A [0003]
- - US 4468971 A [0003]
- - US 4524610 A [0003]
- - US 4716770 A [0003, 0006]
- - US 4768384 A [0003]
- - US 5052229 A [0003]
- - US 5052230 A [0003]
- - US 5231884 A [0003]
- - US 5359881 A [0003]
- - US 5458005 A [0003]
- - US 5469748 A [0003]
- - US 5687100 A [0003]
- - US 5796011 A [0003]
- - US 5808209 A [0003]
- - US 6003384 A [0003]
- - US 6053054 A [0003]
- - US 6006609 A [0003]
- - US 6352000 B [0003, 0006]
- - US 6513393 B [0003]
- - US 6644132 B [0003]
- - US 6651513 B [0003]
- - US 6799476 B [0003, 0008]
- - US 6880410 B [0003]
- - US 6910387 B [0003]
- - US 2007/0163361 A [0003]
- - US 2005/0092101 A [0003]
- - WO 88/02476 A [0003]
- - WO 88/02853 A [0003]
- - WO 95/16897 A [0003]
- - WO 00/36379 A [0003, 0005]
- - WO 00/14485 A [0003]
- - WO 01/02816 A [0003]
- - WO 02/086426 A [0003]
- - US 6397683 A [0005]
- - EP 903651 A [0005]
- - EP 1008836 A [0005]
- - US 6352000 A [0006]