DE2052591B2 - - Google Patents

Description

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Thermoelemente 17, 19 ist näherungsweise quadra- Schaltkreise 9, 19, 13 und die Schleifenverstärkung tisch, wobei das Thermopaarsignal sich als Quadrat des Schaltkreises 29, 27 und 28 vervielfacht wird, des damit verbundenen Heizelementes 21, 23 ändert. Diese Polstelle kann daher bei einer Frequenz /„ Daher ändert sich der Ausgang des Verstärkers 9 von etwa 0,002 Hz im Vergleich mit der typischen nichtlinear mit dem Eingangssignalpegel. Das Heiz- 5 Frequenz J₁ von etwa 10 Hz festgelegt werden. Die element 23 des Thermoelementes 19 ist derart ange- Asymptote der Schleifencharakteristik 32 nimmt daschlossen, daß es das Ausgangssignal 15 des Verstär- her mit der Frequenz mit etwa 20 db pro Dekade kers 9 aufnimmt, und das Thermopaar 24 ist derart der Frequenz von der Polfrequenz Z₀ bis zu der PoI-mit dem phaseninvertierenden Eingang 13 des Ver- frequenz Z₁ ab, die durch ein Thermoelement 19 bestärkers 9 verbunden, daß ein Rückführsignal erstellt io dingt ist. Um indessen die Schleifenstabilität bis zu wird, das sich nichtlinear mit dem Signalpegel am dem Punkt des Null-Durchganges der Verstärkung Ausgang 15 des Vei stärkers 9 ändert. Es sei ange- (wo die Asymptote 0 db durchläuft) sicherzustellen, merkt, daß, falls die Thermoelemente 17 und 19 qua- kann an der Frequenz Z₁ eine Nullstelle festgelegt dratisch übertragen, die Nichtlinearität des durch das werden, bei der das Thermoelement 19 eine Polstelle Thermoelement 19 zugeführten Rückführsignals die 15 beisteuert. Das Ergebnis einer Polstelle und einer Nichtlinearität des dem Verstärker 9 durch das Nullstelle etwa bei der Frequenz Z₁ ist. daß die Thermoelement 17 zugeführten Signals kompensiert, Asymptote der Schleifencharakteristik 32 weiterhin um ein Ausgangssignal e„_m zu erstellen, das linear mit der Frequenz mit einer EinpoJgeschwindigkeit von dem genauen Effektivwert des Eingangssignals e_in von 20 db pro Dekade im Vergleich mit der Zweiam Heizelement 21 abhängt. 20 polgeschwindigkeit von 40 db pro Dekade (Asymp-

Die Umformung eines dem Heizelement des Thcr- tote 34) abnimmt, was eine bedingt stabile Schleife

moelementes 17 zugeführten Signals in eine deich- in Abwesenheit einer Nullstelle bei der Frequenz Z₁

spannung, die dem Effektivwert des Eingangssignals wäre. Diese Nullstelle wird in erster Linie durch den

entspricht, kann durch einen wohlbekannten mathe- Widerstand 28 in Verbindung mit dem Kapazitäts-

matischen Ausdruck beschrieben werden, der das .-5 wert 27 realisiert. Daher wird für den Vollausschlag

Integral der Eingangsfunktion über eine vollständige des Signals der Punkt des Verstärkungsnulldurch-

Signalperiode umfaßt. Die Konstanten für die Effek- ganges jenseits der Frequenz /., zu der höheren Fre-

tivwertumwandlung für einen Bereich von Signal- quenz /., gemäß einem Grundgedanken der Erfin-

perioden hängen teilweise von der Wärmekapazität dung verlagert, und es wird ein Einpolsystem ge-

des Heizelementes 21 und von anderen Faktoren ab, 30 schaffen, das eine gute Schleifenstabilität sowie die

die sich über eine bestimmte Grenze hinaus ändern. Fähigkeit, sehr tiefe Signalfrequenzen zu messen,

wenn die Periode des Eingangssignals größer wird bewirkt.

(d. h.. wenn die Eingangssignalfrequenz abnimmt). Bei einem Signal, das geringer ist als der Vollaus-Daher neigt die Gleichspannung von dem Thermo- schlag, nimmt die Schleifenverstärkung durch die paar 22 bei niedrigen Betriebsfrequenzen dazu, den 35 quadratische Übertragungsfunktion des Thermoele-Amplitudenbewegungen des Eingangssignals zu fol- mentes 19 ab. Daher ist die effektive Schleifenvergen, da das Thermopaar aufhört, eine wirksame In- Stärkung des Kreises um 20 db geringer bei einem tegration des Eingangssignals über eine volle Periode Pegel, der Vio des Vollausschlages ausmacht. Dies zu bewirken. In der Praxis tritt die Betriebsfrequenz, ergibt eine Abnahme der Einschwingzeit des Scha'tbei der diese wirksame Signalintegration über eine 40 kreises gemäß F i g. 2 durch den Übergang der volle Periode nicht mehr stattfindet, bei etwa 3 bis Asymptote der Schleifencharakteristik zu einer tie-10 Hz auf und drückt sich in Änderungen der An- feren Frequenz Z₄ des Nulldurchgangs der Verstärzeige des Ausgangspegelmessers od. dgl. unterhalb kung. Um daher diese Wechsel im Einschwingvereiner derartigen Signalgeschwindigkeit aus. halten als Funktion des Betriebssignalpegels zu ver-

Entsprechend dem Ausführiingsbeispiel der Erfin- 45 meiden, ergibt die nichtlineare Verstärkerstufe 29 dung wird der Frequenzbereich, in dem die wirk- eine quadratische Verstärkung, die sich mit dem same Integration über die volle Periode bewirkt wird zugeführten Signalpegel in näherungsweise direktem und dadurch eine Effektivwertumformung mit einem Verhältnis zu der Signalübertragungscharakteristik gegebenen Thermoelement erreichbar ist. auf tiefere des Thermoelementes 19 ändert. Das bedeutet, daß Frequenzen durch Hinzufügen eines integrierenden 50 ein 20-db-Abfall in der Schleifenverstärkung gemäß Rückführkreises 25 ausgedehnt. Dieser Kreis um- dem quadratischen Übertragungsverhalten des Therfaßt die Reihenschaltung eines Kondensators 27 moelementes 19 durch eine Verstärkungsabnahme und eines Widerstandes 28, die zwischen dem Aus- von 20 db durch die Verstärkungsstufe 29 kompengang der nichtlinearen Verstärkerstufe 29 und dem siert wird. Diese durch die Verstärkerstufe 29 beEingang 11 des Verstärkers 9 liegt. Die Verstärkung 55 dingte Abnahme der Verstärkung in den Rückführdes offenen Regelkreises (bei vollem Signalausschlag) weg bei einem verminderten Signalpegel hat die von dem Schaltkreispunkt X bis zu dem Punkt Y Wirkung, die Polfrequenz Z₀ der Schleifenverstärüber die Schaltkreise 9, 19 und 9, 29, 27 und 28 kung auf eine größere Frequenz /. hin zu verschievervielfacht die Kapazität des Kondensators 27 in ben. Die quadratische Übertragungscharakteristik bekannter Weise und bewirkt dabei eine Polstelle bei 60 der Verstärkungsstufe 29 kann durch eine genau einer Frequenz, die mehrere Dekaden unter der- quadratisch arbeitende Vorrichtung oder durch einen jenigen der Polstellenfrequenz Z₁ liegt, die durcli die herkömmlichen Transistorverstärker und ein Dioden-Thermoelemente allein gegeben ist, wie Fig. 2 zu Umformungsnetzwerk erreicht werden. Die Geentnehmen ist. Dieser Pol ist in erster Linie fest- schwindigkeit der Schaltkreisantwort auf ein eingegelegt durch den entsprechenden Widerstand 26 des 65 gebenes Signal wird daher nicht nachteilig durch das Thermopaares 22 und den Widerstand 28 sowie Signalniveau beeinflußt, da gemäß Fig. 2 durch die durch den Wert der Kapazität 27. der wirksam durch Asymptoten 36 und 32 bei "vollem Signalpegel und die Schleifenverstärkung bei Vollausschlag der die Asymptoten 35 und 32 für 'Ίο des Signalpegels

der Nulldurchgang der Verstärkung auf dieselbe Frequenz /₃ gelegt wird.

Da die Eingangssignale e_in nur dem Heizelement des Thermoelementes 17 zugeführt werden, beeinträchtigen Signalfrequenzen oberhalb der Polfrequenzen /₀ und Z₁ nicht den Betrieb der Schaltung, da das Thermoelement 17 und die angeschlossene Schaltung lediglich auf den Effektivwert der vollen Periode derartiger höherer Frequenzsignale reagiert, um eine repräsentative Ausgangsgleichspannung <?„„, zu ergeben. Die Schaltung ergibt daher eine Ausgangsgleichspannung, die genau proportional derr wahren Effektivwert eines Eingangssignals in einei Meßperiode ist, die durch den Signalpegel bei tiefer Frequenzen von 0,01 Hz bis zu Frequenzen in dei Größenordnung von einigen Hundert MHz und füi Signalpegel von Vollaussclilag bis herunter auf ¹Zu des Vollausschlags nicht beeinträchtigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

gegengekoppelten Thermoelementes mit dem Quadrat Patentansprüche: des Ausgangsstromes schwankt, so daß die System dämpfung veränderlich ist

1. Effektivwertumfonner mit einem Verstärker Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu- und einem ersten Thermoelement mit einem Heiz- 5 gruude, Effektivwertumfonner dieser bekannten Art element zur Aufnahme eines Signals, wobei das dahingehend zu verbessern, daß deren Ansprech-Thennoelement ein elektrisches Signal an den geschwindigkeit und Übertragungsverhalten im wesenteinen Eingang des Verstärkers abgibt, und einem liehen unabhängig von Pegeländerungen des Einzweiten Thermoelement, dessen Heizelement mit gangssignals in einem bestimmten Frequenzbereich dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, wo- io wird.

bei das zweite Thermoelement ein Rückkopplungs- Bei einem Effektivwertumformer der eingangs gesignal entgegengesetzter Polarität in bezug auf das nannten Gattung wird zur Lösung dieser Aufgabe erSignal des ersten Thermoelementes an den ande- findungsgemäß vorgesehen, daß die zusätzliche Rückren Eingang des Verstärkers abgibt, und der Ver- kopplungsschleife eine Signalübertragungscharaktestärker eine zusätzliche Rückkopplungsschleife 15 ristik hat, die im wesentlichen eine Funktion des Peaufweist, dadurch gekennzeichnet, daß gels des vom Verstärker zugeführten Ausgangssignals die zusätzliche Rückkopplungsschleife eine Signal- ist und in direktem Verhältnis zu der Signalübertraübertragungscharakteristik hat, die im wesent- gungscharakteristik eines Thermoelementes entsprelichen eine Funktion des Pegels des vom Verstär- chend dem Pegel des dem Heizelement zugeführten ker (9) zugeführten Ausgangssignals ist und in 20 Signals ist und das Ausgangssigna] der zusätzlichen direktem Verhältnis zu der Signalübertragungs- Rückkopplungsschleife dem einen Eingang des Vercharakteristik eines Thermoelementes entspre- stärkers mit der gleichen Polarität wie das Ausgangschend dem Pegel des dem Heizelement zugeführ- signal des ersten Thermoelementes zugeführt ist. Das ten Signals ist und das Ausgangssignal der zusatz- Ausgangssignal wird also über den Verstärker im zulichen Rückkopplungsschleife dem einen Eingang 25 sätzlichen Rückkopplungskreis gegengekoppelt und des Verstärkers mit der gleichen Polarität wie das kann daher im Fall eines Differenzverstärkers ohne Ausgangssignal des ersten Thermoelementes zu- vorherige Polaritätsumkehr dem invertierenden Vergeführt ist. Stärkereingang oder nach Polaritätsumkehr dem nicht

2. Effektivwertumfonner nach Anspruch 1, da- invertierenden Verstärkereingang zugeführt werden, durch gekennzeichnet, daß die Signalübertragungs- 30 Erfindungsgemäß wird die Ubertragungscharaktecharakteristik der zusätzlichen Rückkopplungs- ristik des Kompensationskreises als Funktion des schleife mittels eines Regelverstärkers (29) gewon- Signalpegels geändert, um insgesamt ein Signaüverhalnen ist. ten zu ergeben, das über einen breiten dynamischen

3. Effektivwertumformer nach Anspruch 2, da- Bereich von Signalpegeln relativ konstant ist.

durch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungs- 35 Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der schleife in Reihe mit dem Verstärker (29) einen Erfindung kann vorgesehen werden, daß die Signal-Kondensator (27) aufweist. übertragungscharakteristik der zusätzlichen Rückkopplungsschleife mittels eines Regelverstärkers gewonnen wird.

40 Der Betriebsbereich des Effektivwertumformers

nach der Erfindung kann schließlich wesentlich in Richtung auf tiefere Frequenzen, nämlich bis herab

Die Erfindung betrifft einen Effektivwertumformer zu 0,01 Hz dadurch erweitert werden, daß die zusätzmit einem Verstärker und einem ersten Thermo- liehe Rückkopplungsschleife in Reihe mit dem Verelement mit einem Heizelement zur Aufnahme eines 45 stärker einen Kondensator aufweist. Dies beruht dar-Signals, wobei das Thermoelement ein elektrisches auf, daß der im Gegenkopplungszweig liegende VerSignal an den einen Eingang des Verstärkers abgibt, stärker den effektiven Kapazitätswert des Kondensa- und einem zweiten Thermoelement, dessen Heiz- tors wesentlich verstärkt.

element mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevor-

ist, wobei das zweite Thermoelement ein Rückkopp- 50 zugter Ausführungsbeispiele erläutert, es stellt dar
lungssignal entgegengesetzter Polarität in bezug auf Fig. 1 einen Prinzipschaltplan und

das Signal des ersten Thermoelementes an den ande- F i g. 2 ein Diagramm, aus dem die Verstärkung

ren Eingang des Verstärkers abgibt und der Verstär- A ■ β "des offenen Regelkreises zwischen den Schaltker eine zusätzliche Rückkopplungsschleife aufweist. kreispunkten X, Y der Schaltung nach F i g. 1 hervor-Aus der USA.-Patentschrift 2 857 569 ist ein Effek- 55 geht; dabei bedeuten A den Verstärkungsfaktor und // tivwertumformer bekannt, bei welchem einem Ver- das Rückkopplungsverhältnis,
stärker über Spannungsteilerwiderstände die Aus- Gemäß Fig. 1 weist ein Differenzverstärker9 ein

gangsspannung eines Eingangsthermoelementes und Paar Eingänge 11 und 13 und einen Ausgang 15 auf. eines Ausgangsthermoelementes zugeführt werden und Ein Paar Thermoelemente 17 und 19 enthält jeweils bei welchem der Verstärker über eine RC-Kombina- 60 ein Thermopaar 22, 24, das mit einem Eingang 11. 13 tion rückgekoppelt ist. des Verstärkers 9 und einem elektrischen Heizelement

Aus der USA.-Patentschrift 3 262 055 der Anmel- 21, 23 zur Anhebung der Temperatur des entsprederin ist ein weiterer Effektivwertumformer bekannt, chenden Thermopaares nach Maßgabe des den Heizbei dem die verschiedenen Spannungen einem Diffe- elementen 21, 23 zugeführten Signals verbunden ist. renzverstärker zugeführt werden. 65 Das dem Eingangsheizelement 21 zugeführte Signal

Beiden Schaltungsanordnungen haftet der Nachteil erzeugt in dem Thermopaar 22 ein Signal, das dem an, daß der Betrag der Rückkopplung bzw. die Ver- nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 9 zustärkung des offenen Regelkreises auf Grund des geführt wird. Die Signalübertragungskennlinie der