DE2214602A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines schwachen elektrischen Gleichsignals - Google Patents

Description

patent NWALT DIPL.-PHYS. DR VV. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

β MÜNCHEN 8t · WtSSMANNSTRASSE T4 - TELEFON 932774 · TELEGRAMMADRESSE: IANGHOFFPAtENT MÜNCHEN

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Unser Zeichen: ^5-966 München, den 25.Märζ 1972

Verfahren und Vorriehtunp zurr Messen eines schwachen elektrischen Gleichsignals

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messan eines schwachen elektrischen Gleichsignals₃ indem das Ole:iehs:ifrnal während eines vorgegebenen Zeitintervalls linear auf einen Integrator pepeben und dieser unter Verwendung einer Bezupsspannunp linear bis auf null entladen wird, v/ob ei die Fntladezeit bestimmt wird.

Es ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, percäß dem an einem einfachen Gleichspannunpsverstärkerj vorsupsweise eineir- Operationsverstärkers aufeinanderfolpend das 2U verstärkende Gleichsipnal und ein Mullpotential gepeben wird, und wobei von der Gesairtspannunp während einer ersten VerstSrkunpsphase die in einer zweiten Phase bestimmte Peiilerspannunp subtrahiert wird und wobei diese beiden Versta'rkungsphasen, die jeweils einen Meftzyklus bilden, periodisch mit einer solchen Frequenz wiederholt werden, daß die lüriffc der Verstärker vernachlössigbar klein ist, und daß andererseits die Wiederholuiipsfrequenz klein penup Et, damit industrielle Störfrequenzen keinen Einfluß haben. Fin derareipes Meßverfahren ist unter Verwendung von analopen Schaltunpsbau-

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' SUndlger allgemeiner Vertreter n«cn § 46 P.tAnwO. lugelassen bei den Landgerichten München I und Il

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bausteinen in einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung des Anmelders beschrieben.

Der Erfindung lieft die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine digitale Messung ermöglichen und welche mittels einer einfachen Schaltung der vorerwähnten Analogschaltung zugeordnet werden kann.

Die lösung dieser Aufgabe ist in· wesentlichen darin zu sehen daß die Polarität einer in die l^essung eingehenden Fehler-Spannungen gemessen und mittels wenigstens eines linearen, von der Fehlersrannunp gespeisten zusätzlichen Integriergliedes invertiert v/ird, und daß das derart invertierte FeiiLersignal auf eine invertierende Entladeschaltung gegeben wird. Dabei wird das Verhältnis der zu /tossenden Spannung und der 3ezursi.5pannung vorzugsweise durch Zählen der Taktiirpulse einfs Taktgebers bestiir.r.t, und ewbp während des Zeit Intervalls uir Zurückstellen der AuagangsBpannung des Integrators durch Entlader; auf null.

Eint: revor^urte iusführungsforr des Verfahi'ers nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß in einem ersten Funktionsabachnitt der Integrator von der Fehierspannung während eineu vergegebenen Zeitraumes linear geladen wird, daß während eines zweiten Funktionsabschnittea der Integrator unter Mitwirkung einer Besugsspannung mit gegenüber der Pehlerapannung entgegengesetztem Vorzeichen linear entladen wird, sodann von der Bezugsspannung während eines gleichen Zeitintervalla, wie es zum Entladen deeaelben auf null erforderlich war, wieder geladen wird, daß während eines dritf.an FunktLonsabechni.tt-.es mit einer Zeitdauer entsprechend dem ersten Funktionsabschnitt der Integrator entladen wird unJ sodann von der Geöamtspannung linear

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geladen wird, und daP während eines vierten FunktionsebBChnittee der Integrator von der Besugsspennung linear bis auf null entladen wirdj, wobei diese Entladezeit als Maß für uie von Fehlerspannungen befreite Signalspannung verwendet wird.

Die Frfindung ist irr folgenden anhand schemata scher Zeichnungen an einem /susführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Figur 1 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung nach der Frfindung.

Figur 2 ist eine Kurvendarstellung zur Frla'uterung der Funktion der Vorrichtung.

Figur 3 zeigt ein Detailschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt- einen Feßwend- lev 2 irit einer Finstellein.richtunr 20 und einer Speisespannungsquelle 1. Diese spsist einen Differenzverstärker 3, welcher über eine Weiche 5* die zwei Stellungen F, und F^ einnehmen kann, η it einerr Integrator 7 verbunden ist.

Cer Wandler selbst int mittels einer '/eiche ^, die zwei Stellungen F₁ und F einnehmen kann_s init elne-i^ direkt gekoppelten Signalverstärker 6 verbunden. Dei- f-.usrvcnr des Integrators ist xv:'t einem Nulldetektor 3 ver^nder-, dessen Ausgang zwei logische Gatter 12 und 13 steuert,

Fas Gatter 12 steuert die TS ti nc*-ιέ eines Köhlers 10, der die wiederkehrender. Takbimpulse eine? Taktgebers 9 sShlt.

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BADORtGiNAL

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Der Zähler 10 ist einerseits mit einem Speicher Ik verbunden, welcher von dem Gatter 13 gesteuert wird, und mit einer Ziffernanzeigevorriehtung 15 gekuppelt ist, und andererseits mit einer Gatteranordnung 11, welche die Umschaltunf der Weichen M und 5 steuert.

Die vorhergehend beschriebene Schaltung bildet eine Meßechal· tun? mit digitaler

Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Analoganseigeelnrichtung, welche die Speisespannungsquelle 1, den Meßwandler 2, die Weiche 4 und den Signalveretärker 6 umfaßt, ferner einen Impedanzwandler 16, eine Weiche 17 mit den beiden Stellungen Ρς und Fg, eine logische Speicher- und Subtrahierechaltunf 18 und eine Meßeinrichtung 19» Die Umschaltung der Weichen 4 und 17 wird durch die Gatteranordnung gesteuert.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Figur 1 1st anhand von Figur 2 näher erläutert. Die Schaltung weist Ί Funktionsabschnitte auf. Zu Beginn des ersten Funktionsabschnittes ist die Weiche «J in der Stellung F₂, die Weiche 5 in der Stellung F, und der Zähler auf null. Der Zähler ist so beschaffen, daß er eine vorgegebene Zahl von Taktimpulsen zÄhlt. Wenn z.B. diese Zahl erreicht ist, die etwa der maximalen Kapazität des Zählers entspricht, wird der Zähler auf null zurückgestellt, wobei die Gatteranordnung 11 die Weichen J* und 5 durch einen Impuls umschaltet.

Genauer gesagt erfolgt die Umschaltung der Weiche 5 in die Stellung F₁, ein kurzes Zeitintervall nach der Umschaltung der Weiche ty in die Stellung F₁. Dadurch werden Fehler vermieden, welche in den Transistoren bei der Umschaltung des SignalverstSrkers 6 entstehen.

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Während des ersten Punktionsabschnittes ist der Eingang des Signalverstärkers 6 mit Masse verbunden. Die Eingangsspannung des Integrators 7 ist sodann gleich groß V_eA, das heißt

so

dem Effektivwert der Fehlerspannungen, die von den Weichen 4 und 5 und von dein Signalverstärker 6 herrühren. Die Zeitkonstante BC des Integrators ist so gewählt, daß dessen Ausgangsepannung während der Zeitdauer T linear als Funktion der Zeit ansteigt. Der Integrator selbst hat eine priftspannung V. .

Nach Ablauf der Zeit T ist die Ausgangsspannung V> des Inte

grators:

^(Vso ^{+ V}io^} (1)

wie aus Figur 2a hervorgeht.

Während des zweiten Funktionsabschnittes, also nacfh Ablauf der Zeit T, liegt air Eingang des Integrators eine Spannung V , die von dem Referenzverstärker 3 herrührt. Die Schaltung ist so getroffen, daß V eine entgegengesetzte Polarität hat wie die obengenannten Fehlerspannungen (die den Integrator während des ersten Funktionsabschnittes auf eine negative Spannung aufgeladen haben), und daß V proportional zur Spannung der Speisespannungsquelle 1 ist.

Daraus ergibt sich, daß die Ausgangsspannung des Integrators nach Ablauf der Zeit T₁ null wird. Wenn daher V_ro der aus dem Referenzverstärker 3 herrührende Fehler ist, so ergibt

- TO" <^Vso ^{+ V}io> « Hl· <^vr ^{+ V}io ^{+ V}ro> ⁽²⁾

Der Zähler zeigt sodann den Wert T₁ an. Sobald die Ausgangsspannung des Integrators durch null geht, erzeugt ein Detektor 8 einen Impuls, der über das logische Gatter 12 den Zähler auf Abwärtszählunp umschaltet. Während des

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zweiten Zeitintervalla T₁, welchen zur Nullstellung des Zählers durch Rückwärtslauf erforderlich ist, liegt an dem Integrator noch die Spannung V_ an, so daß aw Ende des zweiten Punktionsabschnittes von der Dauer 2 T₁ die Ausgangsspannung· des Integrators ist:

^Tl
^Vi2 * RC" ^(Vr ^{+ V}io ^{+ V}ro).

Wenn die Abwärtszählung des Zählers beendet ist, hat die Gatteranordnung 11 lediglich die Welche 5 umgeschaltet, so daß während des dritten Punktionsabschnittes die Weiche 4 in der Stellung F₁ ist, während die Weiche 5 in der Stellung F, ist.

Der Zähler beginnt dann wieder zu zählen, und zwar während eines neuen Zeitabschnittes T, der dem Zeitabschnitt aus dem ersten Punktionsabschnitt entspricht. Während des dritten Funktionsabschnittes liegt an dem Integrator die Störspannung an, das heißt die Spannung des Meßwandlers, zu der sich die Fehlerspannungen des Verstärkers, der Weichen und des Integrators addieren. Dessen Auegangsspannung nimmt daher entsprechend dem dritten Sägezahnabschnitt von Figur 2a ab.

Es ist eine gewisse Zeit Tp erforderlich, bis die Ausgangsspannunp null geworden ist, wobei gilt:

m ^(Vr * ^Vio * ^Vro> " " S§- <°x * ^v„o ^{+ V}io> »>

Hierin bedeuten G der Verstärkungsfaktor des Signalverstärkers und χ die von dem Meßwendler abgegebene Spannung.

Der Detektor 8 und das logische Gatter 12 sind so geschaltet, daß ein Nulldurchgang der Spannung V. von einer

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positiven zu einer negativen Spannung die Funktionsweise dee Zählers nicht ändert. Dieser zählt daher weiter bis iu dem Zählwert T, woraufhin der vierte Punktionsabschnitt ausgelöst wird, indem die Gatteranordnung 11 die Weiche k in die Stellung F₂ und sodann die Weiche 5 in die Stellung P₁J bringt.

Am Integrator liegt sodann lediglich die Bezugsspannung V_r, KU der noch die Spannungen V und V. kommen.

Die Ausgangespannung des Integrators wächst daher wieder an, und die Zeit T,, an deren Ende die Spannung null ist,

ergibt sich aus der	Gleichung:	T_ RC	und	Vio + V	ro>
Ip β fp - . , , , 2 ^Q +	Veo + Vlo> ■ -	, 3		Ί ergibt	sich:
RC χ	Gleichungen 2
Durch Vereinigen der	1
T, s -T G χ „ 3 ^x	i + V 4 V io ro

Da die Driftapannung des Integrators V₁ und die Fehlerepannung des Referenaverstärkers klein sind gegenüber der Beeugespannung V , IaBt sich die Gleichung 5 vereinfachen

. . _T.o.

Ee ergibt sich schließlich, daft die zu messende Spannung χ proportional zu T, ist, also derjenigen Zelt, die in dem Zähler gespeichert ist, in dem Augenblick, wo die Ausgangespannung am Ende des vierten Funktionsabschnittes durch null geht. In diesem Augenblick wird der Inhalt des Zählers durch das logische Gatter 13 in den Speicher 1*1 gegeben. Zur gleichen Zeit wird der Zähler durch den

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Detektor 8 auf null zurückgestellt und beginnt neu zu zählen, während die leiche 5 in die Stellung P, zurtlckgekippt wird, so daß ein neuer Keßzykus beginnen kann.

Der Inhalt dee Speichers 1Ί wird in eine Ziffernanzeigevorrichtung 15 gegeben.

Figur 2b zeigt die Zählung η des Zählers als Funktion der Zeit. Gleichung 6 zeigt, daß der Fehler zur Zeit T, ist

T.G. 2_ (ⁱy^Vro>

r r

ν D«r Faktor V. + r ist sehr klein.

^vr

Außerdem erkennt man, daß dieser Fehler eine lineare Funk -tion von G iet. Dieser Fehler läßt sich daher durch eine geeignete Einstellung der Änderung des Verstärkungsfaktors G ausschalten.

Die obenbeschriebene Funktion läßt sich allgemein wie folgt beschreiben. Während des ersten Funktioneabschnittes wird der Integrator während der Zeitdauer T unter der Fehlerspannunp aufgeladen, welche die Meßwandlerspannung χ beeinflußt. Während des zweiten Funktioneabschnittes wird die Ladung umgekehrt. Während des dritten Funktionsabschnittes gelangt während der Zeitdauer T die Fehlerapannung an den Integrator, wodurch dieser schlieÄlich eine Ladung annimiTit, die dem Produkt aus der Spannung und der Zeit T entspricht, vorausgesetzt, daß die Ladung dee Integrators eu Beginn dieses Funktionsabschnittes gleich dem entgegengesetzten Ladungswert aufgrund der Fehlerspannung während desselben Zeitabschnitts T ist.

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— Q —

Der vierte Punktionsabschnitt besteht darin, die Zeit T-zu bestimmen, welche zum Entladen des Integrators auf null unter der Einwirkung der Bezugsspannung erforderlich ist. Mit anderen Worten entsprechen die beiden letzten Funktionsabschnitte üblichen Verfahrenweisen zum Bestimmen von Spannungen. Ss läßt sich auch sagen, daß das Verfahren nach der Erfindung während des dritten Funktionsabschnittes eine Subtraktion der Fehlerspannung von der Gesamtspannung auf digitale Weise vollführt.

Die Wiederholungefrequenz des Meßzyklus läßt sich je nach den Gegebenheiten und Anforderungen anpassen und kann als Funktion der Amplitude der .Signalspannungen und der Fehlerspannung variieren.

Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel ändert sich der Meßzyklus von 2T bei fehlenden Spannungen bis 5T für die maximalen Spannungswerte. Dabei ist T beispielsweise 20 ms.

Die Ausbildung der verschiedenen Baugruppen der Schaltung nach Figur 1 ist an sich bekannt. So lassen 3ich zum Beispiel die logischen Gatter mit Feldeffekttransistoren aufbauen.

Bei dem digital arbeitenden Teil der Verrichtung muS> die logische Schaltung gewisse Kommutierungen beim NulldusOhgang· der Aus gangs spannung des Integrators and des gätil» wertes des Zählers durchführen*

In dem analog arbeitenden Teil der Schaltung ist die Aufgabe der logischen Schaltung wesentlich einfacher, da diese nur zwei Sehaltzustände aufweist, nämlich einen Schaltzustand, der dem Anlegen einer Fehlerspannung (Abschnitt

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der digitalen Wirkungsweise) entspricht und eine andere, welche den Anlegen der Gesamtspannung (Abschnitt 3 der digitalen Wirkungsweise) entspricht.

Die Schaltung nach der Erfindung, die einen Meßzyklus mit vier Sägezahnspannungsabschnitten aufweist, kommt trotzdem nur mit einem einzigen Zähler aus. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der Schaltung nach der Erfindung. Es läßt sich jedoch auch ein zweiter Zähler verwenden, wobei das Verfahren dann wie folgt modifiziert wird:

Im ersten Punktioneabschnitt wird der Integrator während der Zeit T mit der Gesamtspannung geladen, im zweiten Funktionsabschnitt mit der Bezugsspannung entladen und dabei die Zeit T_fe gemessen, die hierfür erforderlich ist. Im dritten Punktionsabschnitt wird der Integrator während einer Zeit T mit der Pehlerspannung geladen und während eines vierten Punktionsabschnittes durch die Bezugsspannung entladen, wobei die Zeit T„ gemessen wird, die hierzu erforderlich ist. Das Meßergebnis erhält man eodann durch die Subtraktion Tg - Tg,

Figur 3 zeigt im einzelnen die Hauptschaltungsgruppen einer Meßvorrichtung für die Ausgangsspannung einer Brückenschaltung mit Dehnungsmeßstreifen 21 bis 2Ί. Das Brückengleichgewicht wird durch ein Potentiometer 25 und einen Widerstand 26 eingestellt, die der Einstelleinrichtung 20 von Figur 1 entsprechen»

Die Bezugeepannung wird erzeugt aus der Speisespannung V der Meßbrücke an den Klemmen la und Ib, die mittels der Leitungen Ic und Id abgenommen wird. Da die Zeit T, gemäß Gleichung 6 nur von dem Verhältnis χ abhängt, genügt es,

wenn die Ausgangespannung χ des Meßwandlers und die Bezugs-Spannung V immer proportional zur Speisespannung der

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Meßbrücke sind, um Einflüsse aufgrund von Speisespannungs schvankungen auszuschalten.

Die Bezugsspannung V wird wie folgt erzeugt:

Um den Zustand der Brücke nicht zu stören, werden die wenig sich unterscheidenden Spannungen + V/2 und - V/2 mittels der Abzweigleitungen Ic und Id über die Spannungsfol gestufen 30 und 31 an einen Summierverstärker 32 mit dem Verstärkungsfaktor G geleitet, an dessen Ausgang 33 die gewünschte Bezugsspannung liegt:

Die an der Diagonale der Meßbrücke abgenommene Spannung χ gelangt über eine Leitung HO an die Weiche Ί. Diese umfaßt «wei Feldeffekttransistoren P₁ und F₂ und einen Wider-Btand l»l, der etwa gleichgroß ist wie die Impedanz der Meßbrücke, so daß derselbe/ Eingangsstrom für beide Kommotierungszustände fließt, die durch das Steuersignal an den Gateelektroden anliegen.

Wenn der Transietor P₁ gesättigt ist, ist der Eingang M des Signalverstärkers 6 auf dem Potential x. Wenn der Transistor F₂ gesättigt ist, ist der Eingang M über den Widerstand 41 an Masse gelegt.

Der Signalverstärker 6 umfaßt zwei Operationsverstärker 60 und 61, wobei letzterer insbesondere zum Einstellen des Verstärkungsfaktors Q eingerichtet ist mittels eines Potentiometers 62 und eines Widerstandes 63.

Die verstärkte Signalspannung ohne Fehlerspannunganteil erscheint am Anschluß 6Ί und hat die Kurvenform 65.

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Da die Bezugsspannung gemäß Gleichung 7 negativ ist, muß die Fehlerspannung, da sie immer das entgegengesetzte Vorzeichen haben muß, dauernd positiv bleiben. Außerdem muß verhindert werden, daß sie den Signalverstärker 6 sättigt.

Diese doppelte Bedingung wird beispielsweise erreicht durch Zuführen eines passenden Stromes an den Eingang des Operationsverstärkers 60, etwa mittels eines Potentiometers und mittels Widerständen, die in den Eingangskreis eingefügt sind.

Die Ausgangsspannung des Signalverstärkers 6 und die Bezugsspannung werden an den Integrator 7 über die Weiche 5 gegeben, welcherFeldeffekttransietoren F3 und F₁₁ umfaßt, die von einem ar. den Gate-Elektroden 50 und 51 anliegenden Signal (nicht dargestellt) gesteuert werden.

Der Integrator 7 umfaßt einen Operationsverstärker 70 und zugeordnete Bauteile, etwa Kondensatoren 71 und 72 und Widerstände 73 und 74.

Der Nulldetektor 8 umfaßt einen Komparator 80 und Widerstände 81 und 82. Er wird gegebenenfalls über einen Verstärker 75 angesteuert.

Der Anschluß 83 (Figuren 1 und 3) bildet den Ausgang des Nulldetektors 8.

Der Analogechaltungsteil 16,17,18,19 von Figur 1 ist in Figur 2 durch ein Rechteck 67 dargestellt, welches mit dem Anschluß 6*1 verbunden ist.

Die Meßvorrichtung nach der Erfindung eignet sich besonders für eine oder mehrere BrückenBchaltungen mit Dehnungsmeßstreifen.

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Claims (1)

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   - 13 Patentansprüche

   Verfahren zum Messen eines schwachen Gleichsignales, indem ^das öleichsignal während eines vorgegebenen Zeitintervalle linear auf einen Integrator gegeben wird und dieser unter Verwendung einer Bezugsspannung linear bis auf null entladen wird, wobei die Zeit zum Entladen des Integrators auf null gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität einer in der Messung auftauchenden Fehlerspannung gemessen und invertiert wird mittels eines linearen, von der FehlerSpannung gespeisten zusätzlichen Integriergliedes, und daß das derart integrierte Fehlersignal auf eine invertierende Entladeschaltung gegeben wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in einem ersten Funktions abschnitt der Integrator von der Fehlerspannung während eines vorgegebenen Zeitraumes linear geladen wird, daß während eines zweiten Punktionsabschnittes der Integrator unter Mitwirkung einer Bezugsspannung mit gegenüber der Fehlerspannung entgegengesetztem Vorzeichen linear entladen wird, sodann von der Bezugsspannung während eines gleichen Zeitintervalls, wie es zum Entladen desselben auf null erforderlich war, wieder geladen wird, daß während eines dritten Funktionsabachnittes mit einer Zeitdauer entsprechend dem ersten Funktionsabschnitt der Integrator entladen wird und sodann von der Gesamtspannung linear geladen wird, und daß während eines vierten Punktionsabschnittes der Integrator von der Bezugsspannung linear bis auf null entladen v/ird₉ wobei diese Entladezeit als Maß für die von Fehlerapannungen befreite Signalspannung verwendet wird.

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   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r ch gekennzeichnet , daß das Laden und Entladen dee Integrators ir.it einer bestimmten Frequenz periodisch wiederholt wird und daß die Wiederholungsfrequenz so gewählt ist, daß die aus den Schaltungseinrichtungen herrührenden Driftwerte und industriellen Stör frequenzg-eräus ehe möglichst gering sind.

   M. Meßvorrichtung mit einer Einrichtung «um Erzeugen einer Bezugsspannung, mit einem Operationsverstärker, mit einer ersten Weiche zum abwechselnden Verbinden des Operationsverstärkers mit einem Signaleingang und mit Masse, mit einem Integrator, mit einer zweiten Weiche zum abwechselnden Verbinden des Eingangs des Integrators mit der Bezugsspannungsquelle bzw. mit dem Ausgang dee Operationsverstärkers, mit einem Zähler für Taktimpulse,

   mit logischen Schaltungen zum Steuern der Umschaltung der Weichen, und mit einem Nulldetektor zum Peststellen des Nulldurchganges der Ausgangsspannung des Integrators, gekennzeichnet durch eine mit dem Nulldetektor zusammengeschaltete Umschalteinriehtung zum Umschalten des Zählers auf Aufwärtszählung bzw. Abwärtszählung beim Nulldurchganp während des zweiten Punktionsabschnittes und zum Rückstellen des Zählers auf null am Ende des vierten Punktioneabechnittes, und durch eine Einrichtung zum Pesthalten des Zählwertes des Zählers am Ende des vierten Punktione abschnitt S3.

   5. Vorrichtung nach Anspruch ¹I, gekennzeichnet durch eine dritte Weiche zum abwechselnden Anschalten des Ausganges des Verstärkers an einen ersten bzw. einen zweiten Analogspeicher und durch eine Einrichtung zum Bilden der Differenz der beiden Analogspeicher in jedem Meßzyklus,

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   6. Vorrichtung nach Anspruch *J, dadurch gekennzeichnet , daß die logischen Schaltunpen so geschaffen sind, daß die zweite Weiche zeitlich nach der ersten Weiche umgeschaltet wird.

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   Le e rs e ι te