DE3742334A1 - Schaltungsanordnung zur linearisierung und normierung eines kennlinienfeldes eines messwertaufnehmers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Linearisie­ rung und Normierung eines Kennlinienfeldes eines Meßwertaufneh­ mers und ist im Rahmen des Qualitätssicherungssystems im Bauwe­ sen bevorzugt einsetzbar in Geräten zur Messung der Betondeckung von Stahlbewehrungen in Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen.

Zur Linearisierung der Kennlinie von Meßwertaufnehmern sind ver­ schiedene Schaltungsanordnungen bekannt. So wird in der DE-OS 33 37 752 A1, IPK³ G 01 D 3/02 eine Schaltungsanordnung beschrie­ ben, deren Übertragungsfaktor bis zu einem charakteristischen Wert der Eingangsspannung durch einen ersten Operationsverstär­ ker bestimmt wird und der bei Überschreiten dieses Wertes durch Wirksamwerden eines zweiten Operationsverstärkers mit einer Dioden-Widerstands-Beschaltung sprunghaft verändert wird. Da­ durch ist es möglich, eine aus zwei Geradenabschnitten unter­ schiedlicher Steigung bestehende Kennlinie eines Meßwertaufneh­ mers zu linearisieren, d. h., den Kennlinienknick zu beseitigen.

Bei einer Schaltungsanordnung gemäß DD-PS 2 33 646 A1, IPK³ C 01 D 3/04 ist dem Gegenkopplungswiderstand eines am Meßsignal eines Meßwertaufnehmers anliegenden Inverters die Serienschal­ tung eines Operationsverstärkers, einer Schaltdiode und eines weiteren Widerstandes gegenläufig parallelgeschaltet, wobei der Ausgang oder der Eingang der Schaltdiode mit den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Diese Schal­ tung hat eine Kennlinie mit einem Knickpunkt beim Nulldurchgang des Eingangssignals. Durch Verspannung des invertierenden Ein­ gangs des zweiten Operationsverstärkers kann dieser Knickpunkt zu anderen Werten der Eingangsspannung hin verschoben werden.

Durch Hintereinanderschalten von mehreren derartigen Schaltungs­ anordnungen kann eine Übertragungsfunktion realisiert werden, die aus mehreren Geradenabschnitten mit unterschiedlicher Stei­ gerung zusammengesetzt ist. Eine solche Übertragungsfunktion wird auch durch die in der DE-OS 27 06 431 A1 IPK³, G 01 D 3/02 beschriebene Lösung realisiert, bei der der Meßwertaufnehmer an einem ersten Differenzverstärker angeschlossen ist, der erste Differenzverstärker über einen zweiten Differenzverstärker gegen­ gekoppelt und zwischen dem Ausgang und einem Eingang des zweiten Differenzverstärkers ein Dioden-Widerstands-Netzwerk eingeschal­ tet ist. Derartige Schaltungsanordnungen zur Linearisierung der Kennlinie eines Meßwertaufnehmers beruhen darauf, daß diese Kenn­ linie durch hintereinanderliegende Geradenabschnitte mit unter­ schiedlicher Steigung angenähert wird. Wird die Kennlinie nur durch wenige Geradenabschnitte angenähert, ist der Schaltungsauf­ wand vertretbar, aber die Genauigkeit der "Linearisierung" unzu­ reichend. Zur Erzielung einer brauchbaren Näherung, beispiels­ weise für eine Exponentialfunktion, und damit einer ausreichen­ den Genauigkeit, ist ein sehr großer Schaltungsaufwand notwendig.

Die aufgeführten bekannten Schaltungsanordnungen haben gemeinsam den Nachteil, daß nur die Linearisierung einer Kennlinie, nicht aber eines Kennlinienfeldes möglich ist und auch keine Normierung erreicht wird.

Es ist das Ziel der Erfindung, die beschriebenen Nachteile des bekannten Standes der Technik zu beseitigen und eine Schaltungs­ anordnung zur Linearisierung und Normierung eines Kennlinienfel­ des eines Meßwertaufnehmers zu entwickeln, die bei ihrer Reali­ sierung in einem Meßgerät dessen Handhabung und Ablesbarkeit, insbesondere bei der Messung der Dicke der Betondeckung von Stahl­ bewehrungen in Stahlbetonbauteilen, wesentlich verbessert und da­ durch einerseits den Zeitaufwand für die Durchführung der Mes­ sungen verringert und andererseits subjektive Fehler - wie Ab­ lesefehler, Interpolationsfehler, Fehlzuordnung von Skalen - weitgehend ausschließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kennlinien eines näherungsweise durch eine Exponentialfunktion darstellbaren nicht­ linearen Kennlinienfeldes eines in einem Meßwertaufnehmer erzeug­ ten Wechselspannungssignals in Abhängigkeit von der zu messenden Größe und einem Parameter so zu linearisieren und zu normieren, daß für mehrere unterschiedliche Werte des Parameters ein- und derselbe lineare Zusammenhang zwischen dem linearisierten und normierten Meßsignal und der zu messenden Größe entsteht. Erfin­ dungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung ge­ löst, bei der einem Eingangsspannungsteiler ein Gleichrichter und diesem ein Differenzverstärker nachgeschaltet ist, an dessen nichtinvertierendem Eingang eine konstante Gleichspannung an­ liegt, die größer als die höchste am Ausgang des Gleichrichters auftretende Gleichspannung ist.

Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit dem Eingang eines modifizierten Logarithmierers verbunden, bei dem die Basis des Rückkopplungstransistors über einen umschaltbaren, dem jeweili­ gen Wert des Parameters entsprechend eingestellten Spannungs­ teiler an einer positiven Gleichspannung liegt und parallel zur Emitter-Kollekter-Strecke des Rückkopplungstransistors ein ohm­ scher Festwiderstand angeordnet ist. Dieser Widerstand ist so bemessen, daß der Strom im Rückkopplungszweig des modifizierten Logarithmierers bei großen Eingangssignalen vom Strom durch den Rückkopplungstransistor und bei kleiner werdenden Eingangssi­ gnalen zunehmend vom Strom durch den Festwiderstand bestimmt wird. Dem Ausgang des modifizierten Logarithmierers ist ein umschalt­ barer Ausgangsspannungsteiler nachgeschaltet, der mit dem Span­ nungsteiler für den Rückkopplungstransistor starr gekoppelt ist.

Das nichtlineare Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers in Form einer Wechselspannung wird an den Eingang des Eingangsspannungs­ teilers angelegt. Dieser Eingangsspannungsteiler ist so bemes­ sen, daß der Maximalwert des Eingangssignals, der für alle Werte des Parameters gleich ist, einen bestimmten für die erfindungs­ gemäße Schaltungsanordnung geeigneten Wert am Ausgang des span­ nungsteilers annimmt. Die Ausgangsspannung des Eingangsspannungs­ teilers gelangt an einen Gleichrichter, der für jede der beiden Halbwellen der Gleichrichtereingangsspannung eine positive Aus­ gangsspannung liefert. Diese Ausgangsgleichspannung gelangt auf den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers, an dessen nichtinvertierenden Eingang eine konstante Gleichspannung an­ liegt, die größer als die am Ausgang des Gleichrichters auftre­ tende höchste Spannung ist. Die Differenz dieser beiden Eingangs­ spannungen wird verstärkt und gelangt auf den Eingang des modi­ fizierten Logarithmierers, der die Kennlinien linearisiert. Durch einen ohmschen Festwiderstand parallel zur Emitter-Kollek­ tor-Strecke des Rückkopplungstransistors, der so bemessen ist, daß der Strom im Rückkopplungszweig des modifizierten Logarith­ mierers bei großen Eingangssignalen vom Strom durch den Rück­ kopplungstransistor und bei kleiner werdenden Eingangssignalen zunehmend Strom durch den genannten Festwiderstand bestimmt wird, wird die Übertragungsfunktion des Logarithmierers konti­ nuierlich so verändert, daß die Logarithmierung quasi zu einer stetig kleiner werdenden Basis erfolgt und auf diese Weise an die tatsächliche Kennlinie des Meßwertaufnehmers angepaßt wird. Um zu erreichen, daß die linearisierten Ausgangskennlinien des modifizierten Logarithmierers alle durch den Koordinatenursprung gehen, wird die Basis des Rückkopplungstransistors des Logarith­ mierers zusätzlich mit einer kleinen Gleichspannung beaufschlagt, deren Wert, abhängig vom Wert des Parameters, mittels des um­ schaltbaren Spannungsteilers passend eingestellt wird.

Der modifizierte Logarithmierer bildet mit dem umschaltbaren Ausgangsspannungsteiler, der ebenfalls entsprechend dem jeweili­ gen Wert des Parameters einzustellen und deshalb mechanisch mit dem umschaltbaren Spannungsteiler gekoppelt ist, die linearisier­ ten Ausgangsspannungen des modifizierten Logarithmierers für alle Werte des Parameters so auf einen vorgegebenen Bereich der Aus­ gangsspannung ab, daß im Arbeitsbereich der Schaltungsanordnung allen Werten der zu messenden Größe unabhängig vom jeweiligen Wert des Parameters eindeutig ein- und derselbe Wert der Aus­ gangsspannung des umschaltbaren Ausgangsspannungsteilers zugeord­ net ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel in einem Betondeckungsmeßgerät näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung,

Fig. 2 die Ausgangsspannung des induktiven Meßwertaufnehmers als Funktion der Betondeckung bei unterschiedlichen Werten des Parameters Stahlbewehrungsdurchmesser,

Fig. 3 das Schaltbild des modifizierten Logarithmierers,

Fig. 4 die Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung als Funktion der Betondeckung.

Die zur Messung der Betondeckung von Stahlbewehrungen in Stahl­ betonbauteilen erforderliche Gerätetechnik besteht aus einem in­ duktiven Meßwertaufnehmer und einem Betondeckungsmeßgarät, in dem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung realisiert ist. Es wird die Forderung gestellt, die sich in Abhängigkeit vom Ab­ stand zwischen einem induktiven Meßwertaufnehmer auf der Ober­ fläche eines Stahlbetonbauteiles und der im Beton befindlichen Stahlbewehrung nichtlinear ändernde Ausgangswechselspannung des Meßwertaufnehmers so in ein Gleichspannungssignal umzuformen, daß ein linearer Zusammenhang zwischen Betondeckung und Höhe der Ausgangsgleichspannung der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung erreicht wird. Der gemäß Fig. 2 bestehende Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung des Meßwertaufnehmers und der Be­ tondeckung ist dadurch gekennzeichnet, daß er sich für kleine Werte der Betondeckung hinreichend genau durch eine e-Funktion beschreiben läßt. Bei großen Werten der Betondeckung folgt die Ausgangsspannung des Meßwertaufnehmers einer Potenzfunktion mit stetig kleiner werdender Basis.

Nach Fig. 1 gelangt das vom induktiven Meßwertaufnehmer gelie­ ferte Wechselspannungsausgangssignal zunächst über einen, zur Kalibrierung erforderlichen, veränderbaren Eingangsspannungs­ teiler 1 zum Gleichrichter 2, in dem eine lineare Gleichrichtung des Wechselspannungssignals erfolgt.

Die vom Gleichrichter 2 erzeugte positive Ausgangsgleichspan­ nung, für die sich infolge der linearen Gleichrichtung prinzi­ piell die gleiche Abhängigkeit von der Betondeckung wie beim Aus­ gangssignal des Meßwertaufnehmers ergibt, wird auf den invertie­ renden Eingang des Differenzverstärkers 3 gelegt. Am nichtinver­ tierenden Eingang des Differenzverstärkers 3 liegt eine konstante Gleichspannung U ₀, die größer als die höchste am Ausgang des Gleichrichters 2 auftretende Ausgangsspannung ist. Dieser Höchst­ wert der Gleichrichterausgangsspannung stellt sich bei sehr gro­ ßer Betondeckung ein, da dann die Ausgangsspannung des Meßwert­ aufnehmers einen, für alle Stahlbewehrungsdurchmesser gleichen, Maximalwert U _max annimmt.

Durch die erfindungsgemäße Art der Differenzbildung wird erreicht, daß

• - die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers stets positive Werte annimmt,
• - sich die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers gegenüber der Ausgangsspannung des Gleichrichters in entgegengesetzter Weise ändert,
• - sich durch weitgehendes Eliminieren des konstanten Anteils der Gleichrichterausgangsspannung der nutzbare Signalhub vergrö­ ßert,
• - sich der für die Linearisierung der Ausgangsgleichspannung des Differenzverstärkers geeignete Teil der logarithmischen Kenn­ linie durch die definierte Einstellung der Eingangsspannung des Logarithmierers für den Maximalwert der Wechselspannung am Eingang des Eingangsspannungsteilers festlegen läßt.

Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 3 gelangt auf den Eingang des modifizierten Logarithmierers 4, dessen Schaltbild Fig. 3 zeigt. Hier liegt ein Widerstand R 1 parallel zur Emitter- Kollektor-Strecke des Rückkopplungstransistors VT 1. Der Wider­ stand R 1 ist so bemessen, daß bei großen Eingangsspannungen U _E , d. h., bei kleinen Werten für die Betondeckung, sein Einfluß auf das Übertragungsverhalten vernachlässigt werden kann.

Der Logarithmierer 4 liefert in diesem Fall eine Ausgangsspan­ nung U _A an V 2, die dem natürlichen Logarithmus der Eingangsspan­ nung U _E proportional ist. Bei kleiner werdenden Eingangsspannun­ gen U _E , d. h., für größer werdende Werte der Betondeckung, bewirkt der Widerstand R 1 eine Logarithmierung zu einer sich stetig ver­ ringernden Basis. Demzufolge steigt bei kleiner werdender Ein­ gangsspannung U _E die Ausgangsspannung U _A an V 2 schneller als bei einer Logarithmierung nach der 1n-Funktion. Das dadurch erzielte Übertragungsverhalten ist erforderlich, um eine Linearisierung der gemäß Fig. 2 vorliegenden Kennlinien des Meßwertaufnehmers zu erreichen.

Damit alle linearisierten Kennlinien für den Wert "Betondeckung = 0" im Koordinatenursprung beginnen, wird an die Basis des Tran­ sistors VT 1 eine kleine Gleichspannung U ₁ gelegt, die für jeden Stahlbewehrungsdurchmesser einen anderen Wert haben muß. Die Gleichspannung U ₁ wird vom umschaltbaren Spannungsteiler 5 er­ zeugt, der mit dem umschaltbaren Ausgangsspannungsteiler 6 ge­ koppelt ist.

Die unterschiedliche Steigung der Kennlinien für unterschiedliche Stahlbewehrungsdurchmesser wird durch den umschaltbaren Ausgangs­ spannungsteiler 6 ausgeglichen, so daß, unabhängig vom Wert des Parameters Stahlbewehrungsdurchmesser, alle Werte der zu messen­ den Größe gemäß Fig. 4 im Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf einem vorgegebenen Wertebereich der Aus­ gangsspannung abgebildet werden.

Die Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird in bekannter Weise nach A/D-Umsetzung digital in der Einheit mm Betondeckung angezeigt.

• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Eingangsspannungsteiler
  2 Gleichrichter
  3 Differenzverstärker
  4 Logarithmierer
  5 umschaltbarer Spannungsteiler
  6 Ausgangsspannungsteiler

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur Linearisierung und Normierung des Kennli­ nienfeldes eines in einem Meßwertaufnehmer erzeugten Wechselspan­ nungs-Meßsignals, wie es bei einer näherungsweise exponentiellen Abhängigkeit des Meßsignals von der zu messenden Größe für mehre­ re verschiedene Werte eines Parameters entsteht, gekennzeichnet dadurch, daß nach einem veränderbaren Eingangsspannungsteiler (1) ein Gleichrichter (2) angeordnet ist, der auf den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (3) arbeitet, an dessen nicht­ invertierendem Eingang eine konstante Gleichspannung anliegt, die größer als die am Ausgang des Gleichrichters (2) auftretende höch­ ste Ausgangsspannung ist, und dem ein modifizierter Logarithmie­ rer (4) nachgeschaltet ist, wobei die Basis des Rückkopplungs­ transistors dieses modifizierten Logarithmierers (4) über einen umschaltbaren, dem jeweiligen Wert des Parameters entsprechend eingestellten Spannungsteiler (5) an einer positiven Gleichspan­ nung liegt und parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Rück­ kopplungstransistors ein ohmscher Festwiderstand liegt, der so be­ messen ist, daß der Strom im Rückkopplungszweig des modifizierten Logarithmierers (4) bei großen Eingangssignalen vom Strom durch den Rückkopplungstransistor und bei kleiner werdenden Eingangs­ signalen zunehmend vom Strom durch den genannten Festwiderstand bestimmt wird, und dem Ausgang des modifizierten Logarithmierers (4) ein umschaltbarer, ebenfalls dem jeweiligen Wert des Parame­ ters entsprechend eingestellter Ausgangsspannungsteiler (6) mecha­ nisch starr gekoppelt ist.