DE2238763B2 - Verfahren zur Effektivwertmessung mit Signalrückführung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren der elektronischen Analog-Messung des Effektivwertes von Wechselspannungen in weiten Dynamikbereic-hen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2. Sie ermöglicht die Realisierung bestimmter Eigenschaften in Verbindung mit dem an sich bekannten Prinzip der Signalrückführung (Rückwärtsregelung, Kompression) von der Ausgangsseite eines konventionellen Effektivwertdetektors auf den eingangsseitigen Signalpfad. Durch die damit bewirkte Einengung von Pege'schwankungen wird der durchweg mangelhafte Dynamikbereich konventioneller Effektiwertdetektoren besser ausgenutzt bzw. scheinbar vergrößert. Entsprechende Schaltungsanordnungen sind beschrieben in:

[1] C. G. Wahrmann:

A true RMS Instrument.

Brüel & KjaerTechnical Review Nr. 3 - 1958
[2] J. T. Broch.C. G. Wahrmann:

RMS Recording of Narrow Band Noise with the Level Recorder 2305.

Brüel & Kjaer Technical Review Nr. 4 - 1960
[3] J.M.Wade:

Recording True-rms Voltages Over Wide Dynamic Ranges.

Hewlett Packard Journal, Oktober 1968
[4] Deutsche-Auslegeschrift 19 35 544
[5] U.Tietze.C.Schenk:

Analogmultiplizierer mit Stromverteilungssteucrung

Elektronik 1971, Heft 6.S. 189- 194
[6] W. Wisotzky:

Ein regelnder Meßverstärker mit optoelektronischem Koppler.

Elektronik 1972, Heft 2, S. 45 - 48

Die beschriebenen Systeme mit Signalrückführung haben jedoch verschiedene Nachteile, denn entweder ist der beabsichtigte Effekt ungenügend [I], [4], [5] — oder aber ihr dynamisches Verhalten (d. h. Reaktion auf Pegelsprünge oder Impulse) ist aussteuerungsabhängig [6] oder nicht durch einfache Gesetzmäßigkeiten bestimmt [21 [3], was einer leicht faßbaren Beschreibung und Berechnung sowie einer Vereinheitlichung und Anpassung an bestehende Normen entgegensteht. Andererseits ist gerade die Reaktion auf sprunghafte und impulsartige Signale in manchen Fällen ausschlaggebend, insbesondere in der akustischen Meßtechnik.

Das ideale dynamische Verhalten ist durch eine Schaltung nach Abb. I definiert, die ausdrücklich oder stillschweigend gängigen Festlegungen in Normen,

Gerätedaten usw. zugrundeliegt, z. B. DIN 45 633, Blau 2(Präzisions-lmpulsschallpegelmesser). In einer solchen Schaltung durchläuft das Signal nacheinander einen Quadrierer I₁ ein R-C-GWed und einen Radizierer 2. Diese Anordnung folgt sinnfällig aus der Definitionsgleichung für den Effektivwert

(!/(/) = Momentanwert der Meßspannung),

wenn man — wie bei veränderlichen Signalen üblich — die Mittelung nur über eine endliche Zeitspanne erstreckt und durch ein einfaches /?-C-Glied vollzieht (exponentiell zeitbewertete Mittelung). Die Differentialgleichung, welche die Eingangs- und Ausgangsspannung miteinander verknüpft und somit das dynamische Soll-Verhalten vollständig beschreibt, lautet:

a² = V_x. j j ~i~ 2 K Cu,. j j u,. j j.

Das Produkt RC (gelegentlich auch 2 RC) wird als Zeitkonstante oder Mittelungszeit bezeichnet.

Die Schaltung wird jedoch in der dargestellten Form praktisch kaum benutzt, weil der erzielbare Dynamikbereich ungenügend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den weiten Dynamikbereich von Schaltungen nach dem Prinzip der Signalrückführung zu kombinieren mit dem als ideal definierten dynamischen Verhalten der bekannten Schaltung gemäß A bb. 1.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zum ersten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und zum zweiten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.

Erfindungsgemäß gibt es zwei spezielle Verfahren der Signalrückführung, d. h. Steuerung der Verstärkung im Signalpfad durch eine von der so verstärkten Signalspannung abgeleitete Spannung, welche die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung in der gleichen Weise verknüpfen, also identische Differentialgleichungen besitzen, wie die Schaltung nach Abb. 1. Im folgenden sind die beiden alternativen Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen erläutert:

I. Kompressionsverfahren, Ausführungsbeispie! gemäß Abb. 2 (entspricht Anspruch 1).

Das Signal wird nacheinander über einen gesteuerten Verstärker, dargestellt als Dividierer 3, über einen Quadrierer 4, über ein /?-C-Glied und über einen 1. Poteni'.ierer 5 als Steuersignal wieder zurück auf den gesteuerten Verstärker geführt. Hinter dem /?-C-Glied zweigt über einen 7. Potenzierer 6 das effektivwertproportionale Ausgangssignal ab. Bei dem auf diese Weiie beispielhaft realisierten Verfahren werden Pegelschwankungen nicht vollständig ausgeregelt, sondern nur komprimiert. Das komprimierte Signal u> vor dem eigentlichen konventionellen Effektivwertdetektor — repräsentiert durch den Quadrierer 4 und das R-CCWcd — enthält noch die volle Information über den momentanen Effektivwert, die quadrierte und geglättete Spannung u-, hinter dem /?-C-Glied muß nur in geeigneter Weise (durch den 2. Potenzierer 6) expandiert werden.

Folgende Maßnahmen machen die Ausgangsspannung dieser Schaltung proportional zur Ausgangsspannung der Schaltung nach Abb. I (bei gleicher Eingangs spannung):

a) Die Verstärkung V\ zwischen Eingang und Quadrierer 4 wird umgekehrt proportional zu einer

Potenzfunklion — mit wählbarem Exponenten n>l*) — der Spannung U₅ hinter dem R-C-Gtied gesteuert: I₁^n"; beispielsweise realisiert durch den 1. Potenzierer 5 und den Dividierer 3.
in b) Eine andere Pütenzfunktion — mit dem Exponenten π + ., — derselben Spannung 05 liefert die

Ausgangsspannung u_cir, beispielsweise realisiert durch den 2. Potenzierer 6 — oder durch eine υ nichtlineare Skala eines angeschlossenen Instruments o. ä.

c) Die Zeitkonstante C\R\ ist gegenüber CR der Schaltung nach Abb. 1 im Verhältnis (2/7 + 1): 1 vergrößert.

Mit den Merkmalen u. b und eist r .· Differentialgleichung dieser Schaltung (zwischen u und u_citj identisch mit derjenigen der Schaltung nach Abb.l — bis auf einen konstanten Faktor vor iß, der sich durch geeignetc _>-, Wahl der Schaltungskonstanten auch zu 1 machen läßt.

II. Regelungsverfahren, Ausfüiirungsbeispie! gemäß Abb. 3 (entspricht Anspruch 2).

jo Das Signal wird nacheinander über ei.ien gesteuerten Verstärker, dargestellt als Dividierer 7, über einen Quadrierer 8, über einen als Integrierer geschalteten Differenzverstärker 9 und über einen Delogarithmierer 10 als Steuersignal wieder zurück auf den gesteuerten

j) Verstärker geführt. Hinter dem Delogarithmierer 10 zweigt das effektivwertproportionale (lineare) Ausgangssignal ab. Das Signal vor dem Delogarithmierer 10 isl. ebenfalls herausgeführt. Es ist vom Effektivwert logarithmisch abhängig (oder linear abhängig vom

in logarithmischen Pegel) und somit für viele Anwendungen noch interessanter als das lineare Ausgangssignal. Bd Jem auf diese Weise beispielhaft realisierten Verfahren werden Pegelschwankungen des Eingangssignals vollständig ausgeregelt, d. h. der Ei'fektivwert

•r. der Spannung U₈ vor dem Quadrierer 8 ist bis auf eventuelle Ausgleichsvorgänge konstant, während die Information über den Effektivwert in der Steuerspannung Un des gesteuerten Verstärkers (Dividierer 7) enthalten ist.

-,ο Folgende Maßnahmen machen die Ausgangsspannung dieser Schaltung proportional zur Ausgangsspannung der Schaltung nach Abb. 1 (bei gleicher Eingangsspannung):

v. a) Das System arbeitet als Integralregler, d. h. die Stellgröße de: Reglers ist eine Funktion de·. Zeitintegrals über der Differenz zwischen Sollwert Ur und Istwer'. lh: beispielsweise realisiert durch den Differenzverstärker in Integnerschaltung.

„η b) Die Verstärkung V₂ zwischen Eingang und Quadriercr 8 wird umgekehrt proportional zu einer Exponentialfunktion des Zeitin'.egrals Uic, bezogen auf u_r, gesteuert, wobei die Basis m > 1 wählbar ist:

" Der Sonderfall/1 = 1 ist in [4] und [5] beschrieben.

beispielsweise dargestellt durch den Delogarithniierer (0 und den Dividierer 7.

c) Die /eitkonstante C>R> ist gegenüber CR der Schaltung nach Abb. I im Verhältnis 2 In m : I verändert.

Mit den Merkmalen a, Λ und cist die I chung dieser Schaltung (/wischen ii unc mit derjenigen der Schaltung nach Ab einen konstanten l'aktor vor ιΛ der sich ti Wahl der Schiiltiingskonslanten auch /u I

Hierzu 1 FJIaC. Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektronischen Analogmessung des Effektivwertes von Wechselspannungen in weiten Dynamikbereichen und mit einem dynamischen Verhalten der Meßgröße, wie es durch die Hintereinanderschaltung eines Quadrierers, eines /?-C-Gliedes und eines Radizierers definiert ist, mit Hilfe von Dynamikkompression durch Signalrück- in führung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung im Wechselspannungs-Signalpfad umgekehrt proportional zu einer Potenzfunktion höheren Grades als 1 (us", n> 1 wählbar) der quadrierten und Ä-C-integrierten Signalspannung 1/5 1 ■-, gesteuert wird, deren um '/2 höhere Potenz

us " ' 1 dann dem Effektivwert proportional ist

2. Verfahren zur elektronischen Analogmessung des Effektivwertes von Wechselspannungen in 2» weiten Dyüamikbereichen und mit einem dynamischen Verhalten der Meßgröße, wie es durch die Hintereinanderschaltung eines Quadrierers, eines /?-C-Gliedes und eines Radizierers definiert ist, mit Hilfe von Dynamikkompression durch Signalrück- ν-, führung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung im Wechselspannungs-Signaipfad umgekehrt

proportional zu einer Eponcntialfunktionfm! ··. I, m

und Ur beliebig, aber konstant) der quadrierten, um u_r m verminderten und laufend über der Zeit integrierten Signalspannu^-"5 U\o gesteuert wird, die dann dem Logarithmus des Effektivwertes proportional ist und deren Exponentialfunktion (Sieuerspannung) somit dem Effektivwert unmittelbar proportional ist. j->

3. Schaltung zur Ausführung d*.s Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Anordnung von Funktionseinheiten:

Ein Dividierer (3), der als Dividend die Eingangsspannung der Gesamtschaltung und als Divisor die ad Ausgangsspannung des I. Potenzierers (5) empfängt; ein Quadrierer (4), der die Ausgangsspannung (Quotient) des Dividierers (3) quadriert;
ein Ä-C-Glied, das die Ausgangsspannung des Quadrierers (4) glättet (Τί-C-integriert); ₄-,

ein I. Potenzierer (5), der die geglättete Spannung am Kondensator C mit einem wählbaren Exponenten n> 1 potenziert und zum Dividierer (3) zurückführt;
ein 2. Potenzierer (6), der die geglättete Spannung -₎₍i

am Kondensator C mit π + ., potenziert und somit

dem Effektivwert der zu messenden Spannung proportional macht.

4. Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach -,-> Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Anordnung von Funktionseinheiten:

Ein Dividierer (7), der als Dividend die Eingangsspannung der Gesamtschaltung und als Divisor die Ausgangsspannung des Delogarithmierers (10) emp- _w, fängt;

ein Quadrierer (8), der die Ausgangsspannung (Quotient)des Dividierers (7)quadriert;
ein Integrierer, /.. B. ein geeignet beschalteter Differenzverstärker (9), der die Differenz zwischen _h-, Quadricrer-Ausgangsspannung und einer /ugeführten festen Bezugsspanniing u_r laufend über die Zeit integriert;

ein Delogarithmierer (10), der die Ausgangsspannung des Integrierers zu einer wählbaren Basis m delogarithmiert (zum Exponenten von m erhebt) und zum Dividierer (7) zurückführt, wodurch diese rückgeführte Ausgangsspannung dem Effektivwert der zu messenden Spannung und die Spannung vor dem Delogarithmierer (10) dem Logarithmus des Effektivwertes proportional wird.

5. Schaltungen nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stetig arbeitenden Dividierer durch feinstufige Verstärkungsumschalter ersetzt werden.