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    • 专利摘要:
    Ein Mess- und Auswertesystem insbesondere für Temperaturmessungen umfasst einen trägen Messsensor (1), eine Auswerteeinheit (9) zur zeitlich aufeinander folgenden Ermittlung aktuell gemessener, aufgrund der Trägheit des Messsensors (1) gegenüber dem tatsächlichen Messwert nacheilender Messwerte P¶n¶ aus dem Messsignal des Messsensors (1) und eine Recheneinheit (10) zur laufenden Ermittlung vorausberechneter, sich an den tatsächlichen Messwert schneller als der gemessene Messwert annähernder Endmesswerte.
    公开号:DE102004021923A1
    申请号:DE200410021923
    申请日:2004-05-04
    公开日:2005-12-01
    发明作者:Thomas Martell
    申请人:KNICK ELEKT MESSGERAETE GmbH；Knick Elektronische Messgerate & Co KG GmbH；
    IPC主号:G01D3-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Mess- und Auswertesystem mit einem trägen Mess-und insbesondere Temperatursensor und einer Auswerteeinheit zurzeitlich aufeinanderfolgenden Ermittlung aktuell ermittelter Messwerteaus dem Messsignal des Sensors. Diese eilen aufgrund der Trägheit desSensors gegenüberdem tatsächlichherrschenden Messwert nach.
    [0002] Dieder Erfindung zugrundeliegende Problematik erschließt sicham besten aus dem Gebiet der Temperaturmessung und stellt sich unteranderem auf dem Gebiet der analytischen Messtechnik etwa bei derTemperaturmessung im Rahmen von Leitfähigkeitsbestimmungen von Prozessflüssigkeiten,wenn z. B. aus hygienischen Gründender Temperatursensor tief in der Leitfähigkeits-Messsonde eingebautist. Dadurch ist seine Reaktion auf Temperaturänderungen des zu messendenMediums träge,wodurch die mit dem Temperatursensor ermittelte Temperatur über einenbeträchtlichenZeitraum nicht der tatsächlichim Medium herrschenden Temperatur entspricht. Die ermittelte Temperatureilt der tatsächlichenTemperatur mit einer bestimmten, von der Trägheit des TemperatursensorsabhängigenZeitkonstante nach.
    [0003] Davonausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mess- undAuswertesystem mit trägemMesssensor so zu verbessern, dass seine Zeitkonstante und damitTrägheitsignifikant reduziert werden.
    [0004] DieseAufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 durch eineRecheneinheit zur laufenden Ermittlung vorausberechneter, sich anden tatsächlichherrschenden Messwert schneller als der ermittelte Messwert annähernderEndmesswerte gelöst,die folgende Schritte zyklisch durchführt: a)Heranziehen eines aktuell ermittelten Messwertes Pn, b) Bestimmen einer Wichtung Wn aus derWichtung Wn–1 desvorhergehenden Zyklus, einem konstanten Wichtungsfaktor WF, denermittelten Messwerten Pn und Pn–1 imaktuellen und vorhergehenden Zyklus und einem simulierten MesswertTsimn aus den Beziehungen: Wn = Wn–1 + WF·(Pn – Tsimn) mit Tsimn = Pn–1·Wn–1 c) Ermittlung eines aktuellen Endmesswerts Tendn ineinem iterativen Unterzyklus füreinen simulierten Messwert Tsimi mit denUnterzyklen i = 1,2, ... m beginnend mit dem simulierten MesswertTsim0 = Tsimn undnach der Beziehung Tsimi+1 =Tsimi·Wn füri = 1,2 ... mwobei sich der Endmesswert Tendn ergibtaus Tendn = Tsimm, und d) Wiederholen der Schritte a) bis c).
    [0005] Dievom erfindungsgemäßen Systemin dessen Recheneinheit durchgeführtenMesswertbestimmungsschritte beruhen auf einer Art neuronalem Verfahren,bei dem auf der Basis aktuell gemessener und simulierter Messwertezyklisch Wichtungen bestimmt werden, die wiederum zur Ermittlungeines aktuellen Endmesswertes in einem iterativen Unterzyklus verwendetwerden. Bei der rekursiven Wiederholung dieser Simulation im Unterzykluskann der zukünftigeVerlauf des Endmesswertes bestimmt werden. Bei – theoretisch – unendlicherWiederholung des Zyklus wird der exakte, tatsächliche Endwert ermittelt.Da eine unendliche Wiederholung praktisch nicht sinnvoll ist, kannals Abbruchkriterium fürden Hauptzyklus der Endwertbestimmung die Abweichung der Wichtungvon einem Neutralwert 1 herangezogen werden, wie dies gemäß Unteranspruch 7vorgesehen ist. Fürdie Simulation komplexer Messwertverhalten können mehrere Wichtungen Wn 0, Wn 1, Wn 2 ....Wn w aus der BeziehungTsimn = Wn 0·Pn + Wn 1·Pn–1 +... + Wn w·pn–w mit Σ Wn 0 bis w ≌ 1 ermitteltwerden.
    [0006] Inden weiteren Unteransprüchensind berechnungstechnische Details angegeben, die sich aus der folgendenBeschreibung eines Ausführungsbeispielesanhand einer trägenTemperaturmessung ergeben und keiner nochmaligen Erläuterungan dieser Stelle bedürfen.
    [0007] Inder der Beschreibung des AusführungsbeispielsbeigefügtenZeichnung zeigt
    [0008] 1 einBlockdiagramm eines Temperatur-Mess- und -Auswertesystems,
    [0009] 2 einFlussdiagramm der von der Recheneinheit durchgeführten Schritte zur Bestimmungder Temperaturendwerte, und
    [0010] 3 einTemperatur-Zeit-Diagramm zur Darstellung der tatsächlich imzu messenden Medium herrschenden Temperatur, der aktuell vom Temperatursensorgemessenen Temperatur und der von der Recheneinheit bestimmten Endtemperatur.
    [0011] Wieaus 1 hervorgeht, weist ein Temperatur-Mess- und -Auswertesystem,in dem die vorliegende Erfindung implementierbar ist, einen Temperatursensor 1 beispielsweisein Form eines Pt-100-Widerstandes auf, der in eine Messsonde 2 einbettetist. Letztere dient beispielsweise zur Messung der Leitfähigkeiteiner Prozessflüssigkeit 3 ineinem chemischen Reaktorbehälter 4 mitHilfe eines üblichenLeitfähigkeitssensors 5.
    [0012] DieMesssonde 2 steht überentsprechende Signalleitungen 6, 7 zur Übertragungder Messsignale des Temperatursensors 1 und des Leitfähigkeitssensors 5 miteinem Basis-Messgerät 8 inVerbindung, in dem die entsprechende Auswertung und Verarbeitungder Signale der beiden Sensoren 1, 5 vorgenommenwird. Zur Verarbeitung des Temperatursignals ist eine als Ganzesmit 9 bezeichnete Auswerteeinheit vorgesehen, die beispielsweiseauf der Basis eines üblichenMikroprozessors mit CPU, Arbeits-, Programm- und Datenspeicher realisiertsein kann. Die Auswerteeinheit 9 ermittelt in zeitlicherFolge aus dem Signal des Temperatursensors 1 jeweils aktuelleTemperaturwerte Pn.
    [0013] Insbesonderefalls der Temperatursensor 1 aus beispielsweise hygienischenoder anderweitigen Schutzgründentief in die Messsonde 2 eingebettet angeordnet ist, reagierter entsprechend trägeauf eine Änderungder tatsächli chenTemperatur der Prozessflüssigkeit 3.Dies bedeutet, dass die von der Auswerteeinheit 9 ermitteltenund gegebenenfalls in einem Messprotokoll gespeicherten, zur Anzeigegebrachten und/oder etwa in einer Temperaturregelung weiterverarbeitetenTemperaturwerte der tatsächlichenTemperatur nacheilen, also mehr oder weniger unkorrekt sind.
    [0014] ZurBehebung oder zumindest Abschwächungdieser Problematik ist der Auswerteeinheit 9 eine Recheneinheit 10 zugeordnet,die die im Folgenden erläutertenFunktionen ausführt,gerätetechnischjedoch vom gleichen Mikroprozessor wie die Auswerteeinheit 9 durchein entsprechendes Programm implementiert sein kann. Diese Recheneinheitdient zur laufenden Ermittlung vorausberechneter TemperaturendwerteTendn, die der tatsächlichen Temperatur Tist inder Prozessflüssigkeit 3 schnellerangenähertwerden, wie die eigentlich gemessenen Temperaturwerte Pn.Damit lässtsich, wie im Folgenden noch nähererörtertwird, auf einer Anzeigeeinheit 11 des Basis-Messgerätes einsehr viel schneller bei der tatsächlichenTemperatur liegender Temperaturendwert Tend anzeigen (oder anderweitigweiterverarbeiten).
    [0015] Diefür dieseVorausberechnung notwendigen Rechenschritte sind in dem Ablaufprogrammgemäß 2 dargestellt.In 3 sind die entsprechenden Temperaturverläufe dertatsächlichenTemperatur Tist, der jeweils aktuell gemessenen Temperatur Pn und die sukzessive über die Zeit n berechnetenTemperaturendwerte Tendn visualisiert. Dienumerische Basis des in 3 dargestellten Diagramms istin der dieser Beschreibung angehängtenTabelle 1 „Beispielwertefür einenTemperaturgang von 0 ... 100°C" wiedergegeben.
    [0016] Beidem in 2 dargestellten Verfahren wird in dem durch denRückführungspfeil 100 umspannten Hauptzyklusausgehend vom Startpunkt 101 zur Zeit n = 1 die aktuelleTemperatur gemessen, indem von der Auswerteeinheit der jeweiligeTemperaturwert Pn ermittelt wird. DieserTemperaturwert wird noch auf die Kelvin-Skala durch Addition derKelvin-TemperaturT0 = 273°Cnormiert (Schritt 102).
    [0017] ImnächstenZyklusschritt wird eine Wichtung Wn „gelernt", indem auf der Basiseiner im vorherigen Zyklus ermittelten Wichtung Wn–1,eines konstanten Wichtungsfaktors WF von z. B. WF = 0,0004 und einem simuliertenTemperaturwert Tsimn diese Wichtung für die Zykluszeitn auf Basis der Beziehungen Wn =Wn–1 +WF·(Pn – Tsimn) mit Tsimn = Pn–1·Wn–1 gemäß Schritt 103 bestimmtwird.
    [0018] Danachfolgt ein Unterzyklus 104 – repräsentiert in 2 durchdie „Iterations-Box" und den entsprechendenRückführungspfeil – bei demauf der Basis des bei dem Lernen der Wichtung Wn inSchritt 103 ermittelten simulierten Temperaturwertes Tsimn ein Temperaturendwert Tendn durchm-fache iterative Anwendung der Beziehung Tsimi+1 = Tsimi·Wn füri = 1,2, ... m,ermittelt wird, wobei sich die EndtemperaturTendn aus Tendn = Tsimm ergibt.Die entsprechenden Berechnungsschritte sind unter 105 und 106 in 2 dargestellt.Am Verzweigungspunkt 107 wird der Unterzyklus bei Erreichenvon beispielsweise m = 8 Iterationen abgebrochen und der TemperaturendwertTendn (Schritt 108) wie oben ermitteltund auf der Anzeigeeinheit 11 ausgegeben.
    [0019] NachDurchführungdieses Unterzyklus 104 wird der nächste Hauptzyklus – versinnbildlichtdurch den Schritt 109 in 2 – durchgeführt, biseine bestimmte Zeit, hier repräsentiertdurch eine festgesetzte Anzahl von Mess- und Berechnungszyklen von n = 100 erreichtist (Schritt 110). Danach kann das Programmende 111 desBerechnungsprogramms durch die Verzweigung 110 angesteuertwerden.
    [0020] Einpraktisches Beispiel fürdie Anwendung der vorstehenden Endtemperaturberechnung ist in 3 aufder Basis der in Tabelle 1 niedergelegten Daten zu erörtern. Ausgangsbasisfür dasin 3 gezeigte Temperaturverhalten ist ein Temperatursprungder Ist-Temperatur Tist zum Zeitpunkt n = 0 von 0,0°C auf 100,0°C, wie durchdie strichlierte Temperaturstufe in 3 wiedergegebenist. Wie nun der dicken durchgezogenen Linie entnehmbar ist, bleibtdie aktuell von der Auswerteeinheit 9 gemessene Temperaturin einem expotentiell-asymptotischem Verhalten der Temperaturstufestark zurückund nähertsich erst bei einer Zeit n = 70 auf eine Abweichung von unter 1°C an dieseTemperatur an.
    [0021] Diepunktiert unterlegte Temperaturkurve spiegelt den jeweils für jede Zeitn von 0 bis 100 berechneten Temperaturendwert Tendn wieder.Aus dem Diagramm gemäß 3 ergibtsich augenscheinlich, dass die berechneten Temperaturendwerte sichsehr viel schneller an die tatsächlicheTemperatur Tist annähern.Eine Abweichung von weniger als plus minus 1°C wird bereits ab der Zeit n= 21 (siehe beigefügteTabelle 1) erreicht. Ab einer Zeit n = 65 liegt die Abweichung beikleiner 0,1°C.
    [0022] Inder folgenden Tabelle 1 sind füreinen konstanten Wichtungsfaktor WF und einer Iterationszahl für den Unterzyklusvon m = 8 auf der Basis aktuell gemessener Temperaturwerte Pn die fürjedes n berechneten Temperaturendwerte Tendn unddie entsprechende Wichtung Wn aufgelistet.Ferner ist fürdie Zeiten n = 10 und n = 30 der Unterzyklus für die Iterationen i = 1 bis8 mit den entsprechenden simulierten Temperaturen Tsimi explizitmit den entsprechenden Beträgenausgewiesen, die sich in 3 als mit einem Kreuz dargestellten Punktewiederfinden. Fürn = 10 und füri = 8 ist die simulierte Temperatur Tsimi =69,61°C,die dem Wert in der Endtemperatur-Spalte bei n = 10 entspricht.Dasselbe gilt fürdie Endtemperatur von 100,26°Cbei dem Beispiel fürn = 30. Die in der Spalte „WichtungWn" aufgelistetenWichtungswerte sind in 3 durch die dünne durchgezogeneLinie dargestellt. Es wird augenscheinlich, dass sich mit zunehmenderZeit die Wichtung Wn an 1 annähert, sodass der Abstand der Wichtung Wn vom Neutralwert1 als Abbruchkriterium fürden Hauptzyklus 100 herangezogen werden kann. So kann etwabei Unterschreiten von einem Grenzwert von 0,0001 dieses Unterschiedesder Abbruch stattfinden.
    Tabelle1


    权利要求:
    Claims (5)
    [1] Mess- und Auswertesystem, insbesondere für träge Temperaturmessungen,umfassend – einenträgenMesssensor (1), und – eine Auswerteeinheit (9)zur zeitlich aufeinanderfolgenden Ermittlung aktuell ermittelter,aufgrund der Trägheitdes Messsensors (1) gegenüber dem tatsächlichenMesswert Tist nacheilender Messwerte Pn ausdem Messsignal des Messsensors (1), gekennzeichnetdurch – eineRecheneinheit (10) zur laufenden Ermittlung vorausberechneter,sich an den tatsächlichherrschenden Messwert Tist schneller als der ermittelte MesswertPn annähernderEndmesswerte Tendn, wobei folgende Schrittevon der Recheneinheit (10) zyklisch durchgeführt werden: a)Heranziehen eines aktuell ermittelten Messwertes Pn, b)Bestimmen einer Wichtung Wn aus der WichtungWn–1 desvorhergehenden Zyklus, einem konstanten Wichtungsfaktor WF, denermittelten Messwerten Pn und Pn–1 imaktuellen und vorhergehenden Zyklus und einem simulierten MesswertTsimn aus den Beziehungen: Wn = Wn–1 + WF·(Pn – Tsimn) mit Tsimn = Pn–1·Wn–1 c)Ermittlung eines aktuellen Endmesswerts Tendn ineinem iterativen Unterzyklus (104) für einen simulierten MesswertTsimi mit den Unterzyklen i = 1,2, ... mbeginnend mit dem simulierten Messwert Tsim0 =Tsimn und nach der Beziehung Tsimi+1 = Tsimi·Wn füri = 1,2 ... mwobei sich der Endmesswert Tendn ergibtaus Tendn = Tsimm, undd) Wiederholen der Schritte a)bis c).
    [2] Mess- und Auswertesystem nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass als Messwerte Temperaturwerte Tist, Tendn, Pn und Tsim verarbeitetwerden.
    [3] Mess- und -Auswertesystem nach einem der vorgenanntenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere zur Simulation komplexererMesswert-, insbesondere Temperaturverhalten der simulierte Mess-,insbesondere Temperaturwert Tsimn laut Merkmalb) von Anspruch 1 auf der Basis mehrerer Wichtungen Wn 0, Wn 1,Wn 2 .... Wn w ermittelt wirdaus der Beziehung Tsimn =Wn 0·Pn + Wn 1·Pn–1 +... + Wn w·Pn–w mit Σ Wn 0 bis w ≌ 1.
    [4] Mess- und -Auswertesystem nach einem der vorgenanntenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Wichtung Wn mitdem Neutralwert 1 verglichen und bei Abweichung unter einem Grenzwertvon vorzugsweise 0,0001 die Wiederholung des Hauptzyklus laut Merkmalena) bis c) von Anspruch 1 abgebrochen wird.
    [5] Mess- und -Auswertesystem nach einem der vorgenanntenAnsprüche,gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinheit (11) zur Anzeigedes jeweils ermittelten aktuellen Endmesswertes, insbesondere EndtemperaturwertesTendn.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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