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Schaltung zum Speichern der Maximal-oder Minimalwerte einer variablen Gleichspannung, insbesondere zum Messen des in eine elektrische Gleichspannung umgewandelten maximalen Formfehlers einer zylindrischen Welle
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Speichern der Maximal- oder Minimalwerte einer variablen Gleichspannung, insbesondere zum Messen des in eine elektrische Gleichspannung umgewandelten maximalen Formfehlers einer zylindrischen Welle, mit einem Kondensator und einem mit diesem Kondensator in Serie geschalteten Gleichrichter, der je nach seiner Polung und der Polung der Gleichspan- nung - zur Maximalwertspeicherung - ein Aufladen des Kondensators zulässt und ein Entladen verhindert oder - zur Minimalwertspeicherung - ein Entladen zulässt und ein Aufladen verhindert, sowie mit einem Gleichspannungsverstärker,
dessen Eingang die variable Gleichspannung zugeführt ist und an dessen Ausgang die aus dem Kondensator und dem Gleichrichter gebildete Serienschaltung liegt.
Eine derartige Schaltung ist bekannt, hat jedoch den Nachteil, dass sich der Kondensator nicht genau auf die Maximal- bzw. Minimalwerte der variablen Gleichspannung aufladen kann. Ursache dieser unerwünschten Erscheinung ist der endliche Durchlasswiderstand des Gleichrichters, an dem notwendigerweise ein Teil der Spannung abfällt, auf die sich der Kondensator auf-bzw. von der er sich entladen soll. Werden als Gleichrichter Halbleiter-Dioden verwendet, so macht sich zusätzlich noch der weitere Umstand störend bemerkbar, dass der Durchlasswiderstand und damit der Fehlspannungsbetrag temperatur- und spannungsabhängig werden. Da die Abhängigkeit nicht linear ist, sind Kompensationsschaltungen nur schwierig durchzuführen. Ausserdem ist die Schaltung nur für Spannungen zu verwenden, die grösser als der Spannungsabfall über dem Durchlasswiderstand des Gleichrichters sind.
Dadurch sind die Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Speicherung der Maximal- oder Minimalwerte einer variablen Gleichspannung so auszubilden, dass der Einfluss des endlichen Durchlasswiderstandes des Gleichrichters vollständig oder nahezu vollständig eliminiertwird. Insbesondere soll die Schaltung auch für Spannungen verwendbar sein, die kleiner als der Spannungsabfall über dem Durchlasswiderstand des Gleichrichters sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Gleichspannungsverstärker ein Operationsverstärker ist, dessen einem Eingang die variable Gleichspannung und dessen anderem Eingang die an dem Kondensator liegende Spannung zugeführt ist, derart, dass der Operationsverstärker als gegengekoppelter Verstärker betrieben ist, und dass der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers so hoch wie möglich ist.
Unter einem Operationsverstärker versteht man einen Gleichspannungsverstärker, der in der Schaltung, in der er eingebaut ist, als idealer Verstärker arbeitet, d. h. die Parameter des Operationsverstärkers dürfen bis auf den Verstärkungsfaktor keinen Einfluss auf die Funktion der Schaltung haben. Der Operationsverstärker ist mit einem Ausgang und mit zwei Eingängen versehen, wobei der eine Eingang gegenüber dem andern Eingang invertiert ist. Dadurch eignet sich ein Operationsverstärker besonders für
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einen Betrieb in Gegenkopplungsschaltung.
In einer erfindungsgemäss ausgebildeten Schaltung hat der Operationsverstärker infolge der starken Gegenkopplung einen Gesamtverstärkungsfaktor, der nur um einen geringen Betrag grösser als 1 ist. Um diesen Gesamtverstärkungsfaktor ist der an der aus dem Kondensator und dem Gleichrichter gebildeten Serienschaltung liegende Spannungspegel grösser als der Originalspannungspegel an dem einen Eingang des Operationsverstärkers. Auf diese Weise ist erreichbar, dass der an dem Kondensator liegende Spannungspegel gleich oder nahezu gleich dem Originalgleichspannungspegel an dem einen Eingang des Operationsverstärkers ist.
Eine erfindungsgemäss ausgebildete Schaltung führt weiterhin zu dem Vorteil, dass ein sich ändernder Spannungsabfall über dem Durchlasswiderstand des Gleichrichters wieder ausgeglichen wird. Wird beispielsweise der Spannungsabfall über dem Gleichrichter grösser, so vermindert sich die dem andern Eingang des Operationsverstärkers zugeführte Gegenkopplungsspannung. Das Ergebnis ist, dass der Gesamtverstärkungsfaktor des Operationsverstärkers grösser wird und dass sich dadurch der Spannungspegel an der Serienschaltung erhöht. Gemäss der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe kann die Schaltung auch zur Speicherung von Spannungswerten verwendet werden, die geringer sind als der Spannungabfall über dem Durchlasswiderstand des Gleichrichters.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Eingangswiderstand des Verstärkers so hoch wie möglich ist.
Dadurch ist der Einfluss des Innenwiderstandes der Gleichspannungsquelle im wesentlichen eliminiert.
Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn der Ausgangswiderstand des Verstärkers so niedrig wie möglich ist. Durch diese Massnahme werden Fehler, die ein endlicher Ausgangswiderstand beim Auf- und Entladen des Kondensators bewirkt, nahezu vollkommen vermieden.
Um gleichzeitig den Maximal- und Minimalwert der variablen Gleichspannung zu speichern, kann der Erfindungsgegenstand unter Verwendung einer Schaltung zur Maximalwertspsicherung und einer Schaltung zur Minimalwertspeicherung derart weitergebildet sein, dass die mit der variablen Gleichspannung zu speisenden Eingangsklemmenpaare der zwei Operationsverstärker parallelgeschaltet sind und dass die Verbindungspunkte zwischen dem Kondensator und dem Gleichrichter jeder Schaltung über einen während der Speicherwertaufnahme zu öffnenden Schalter verbunden sind, damit die Kondensatoren der beiden Schaltungen sich vor Beginn der Speicherwertaufnahme auf einen gleichen mittleren Spannungswert aufladen.
Um eine unerwünschte Entladung des Kondensators durch eine parallel zu dem Kondensator anzuschaltende Auswerteschaltung zu vermeiden, ist es zweckmässig, wenn diese einen Eingangswiderstand hat, der so hoch wie möglich ist.
Die erfindungsgemässe Schaltung eignet sich, wie bereits eingangs erwähnt, z. B. zum Messen des in eine elektrische Gleichspannung umgewandelten maximalen Formfehlers einer zylindrischen Welle. In diesem Fall wird die sich drehende Welle von einem Messfühler abgetastet, der die Unrundheit der Welle in ein veränderliches Gleichspannungssignal umwandelt. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist die hohe Genauigkeit der erfindungsgemässen Schaltung. Ausserdem stellt sie einen sehr billigen Speicher dar. Diese Eigenschaft ist besonders dann günstig, wenn die Ausgangsspannungen einer grösseren Anzahl von Messfühlern gespeichert werden sollen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen : Fig. 1 den Verlauf der Ausgangsspannung eines Messfühlers, der die Unrundheit einer zylindrischen Welle misst, Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltung, an Hand deren die Funktion mathematisch abgeleitet werden soll ; Fig. 3 eine Anordnung zum Messen, Auswerten und Speichern der Unrundheitswerte einer zylindrischen Welle unter Verwendung von Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schaltung.
In Fig. 1 ist der Spannungsverlauf der zu speichernden variablen Gleichspannung gezeigt. Dieser soll den Verlauf der Unrundheit einer zylindrischen Welle darstellen. Der Winkelweg zwischen den Punkten - -6 und 7-- entspricht einer vollen Umdrehung der Welle.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäss ausgebildeten Schaltung. Sie weist einen
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--11-- undAn dem einen Eingang des Operationsverstärkers --13-- liegt die auszuwertende Gleichspannung Ue. An dem andern Eingang, der zu dem ersten Eingang invertiert ist, liegt die an dem Kondensator --11-- ab- fallende Spannung. Die Polarität der zurückgeführten Spannung ist so gewählt, dass der Operationsverstärker gegengekoppelt ist. An dem Kondensator--11-- liegt die Ausgangsspannung Ua, die im vorliegenden Beispiel gleich dem Maximalwert der Eingangsspannung Ue sein soll. Über dem Gleichrichter
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- -15-- fällt eine Spannung Ud ab. An einem nicht näher bezeichneten Punkt im Innern des Verstärkers werden die beiden Eingangsspannungen addiert und ergeben eine Spannung Ui, die dann verstärkt wird.
Der Operationsverstärker habe die Verstärkung V. Es lassen sich dann folgende Beziehungen ableiten :
Ui = Ue-Ua (l)
EMI3.1
Umgeformt ergibt (2)
EMI3.2
Kombiniert man (3) und (1), so erhält man
EMI3.3
Daraus ergibt sich
EMI3.4
Weiterhin erhält man
EMI3.5
und
EMI3.6
Man erkennt, dass die Schaltung umso genauer arbeitet, je mehr sich der Verstärkungsfaktor V dem Wert Unendlich nähert.
In Fig. 3 ist eine Anordnung gezeigt, mit der beispielsweise die Unrundheit einer zylindrischen Welle gemessen werden kann. Aus den gemessenen Werten werden die Minimal- und Maximalwerte ermittelt und gespeichert. Ferner werden aus dem Maximalwert und dem Minimalwert die Differenz und der Mittelwert gebildet und angezeigt. Die abzutastende Welle oder ein Rotationskörper sind mit der
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eines- den Unebenheiten an der Oberfläche des Drehkörpers. Der Messwandler --4-- wandelt die von dem Taststift --3-- aufgenommene Information in eine entsprechend geänderte Gleichspannung um, die einem Verstärker --5-- zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des Verstärkers --5-- wird jeweils einer Schaltung zur Speicherung des Minimalwertes dieser Spannung und zur Speicherung des Maximalwertes dieser Spannung zugeführt.
Diese Schaltungen bestehen, wie bereits in Fig. 2 erläutert wurde, aus einem Kondensator --11, 12--, der mit einer Diode-15, 16-in Serie geschaltet ist. Diese Serienschaltung liegt am Ausgang eines Operationsverstärkers-13, 14-. Der Operationsverstärker ist in der bereits erläuterten Weise ge-
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12-unddensator --11-- über den Gleichrichter--15-- bei ansteigender Spannung auf den maximalen Spannungswert auf. Fällt die Spannung wieder ab, sokann sich derKondensator--ll-- nur sehr langsam über den Sperrwiderstand des Gleichrichters--15-- und dem hohen Eingangswiderstand --21-- des Verstär- kers-13-- entladen.
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Ein an den Kondensator-11-- angeschlossener weiterer Operationsverstärker --17-- hat einen so hohen Eingangswiderstand-22-. dass ein Entladen über diesen Widerstand ebenfalls nur sehr langsam erfolgt. Der Kondensator --12-- kann sich bei abfallender Spannung über den Gleichrichter --16-- auf den minimalen Spannungswert entladen. Steigt die Spannung wieder, so kann sich der Kondensator nur
EMI4.1
hohen Eingangswiderstand --24-- des Verstärkers --18-- entladen. Ist die Messung beendet, so kann ein Entladen der Kondensatoren-11. 12-insbesondere dadurch verhindert werden, dass die Schalter--8, 9-- geöffnet werden.
Die Anzeige der durch die Kondensatoren --11, 12-- gespeicherten Spannungen erfolgt mittels der Instrumente--19, 20--, die den Ausgängen der Operationsverstärker--17, 18-- nachgeschaltet sind. Die Operationsverstärker --17, 18-- sind ebenfalls sehr stark gegengekoppelt, so dass ihre Eingangswi- derstände-22, 24-- extrem hoch werden. Des weiteren sind eine Schaltung zur Bildung des Mittelwertes und eine Schaltung zur Bildung der Differenz aus dem Maximalwert und dem Minimalwert vorgese-
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26-.instrument --34--. An diesem Instrument wird die Differenz aus den Maximal- und Minimalwerten der Messspannung angezeigt. Der eine Eingang des Operationsverstärkers --26-- liegt wieder an Masse.
Der andere Eingang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand --33-- mit dem Ausgang des Operationsverstärkers --18-- und über einen Widerstand --31-- mit dem Ausgang des Operationsverstärkers - verbunden. Ausserdem wird diesem andern Eingang ein Rückkopplungssignal vom Ausgang des Operationsverstärkers --26-- über einen Widerstand --32-- zugeführt. Parallel zum Ausgang des Operationsverstärkers --26-- liegt ein Anzeigeinstrument --35--, das den Mittelwert aus dem Maximal- und dem Minimalwert der Messspannung anzeigt.
PATENTANSPÜCHE :
1. Schaltung zum Speichern des Maximal- oder Minimalwertes einer variablen Gleichspannung, insbesondere zum Messen des in eine elektrische Gleichspannung umgewandelten maximalen Formfehlers einer zylindrischen Welle, mit einem Kondensator und einem mit diesem Kondensator in Serie geschalteten Gleichrichter, der je nach seiner Polung und der Polung der Gleichspannung - zur Maximal- wertspeicherung-ein Aufladen des Kondensators zulässt und ein Entladen verhindert oder - zur Mini malwertspeicherung-ein Entladen zulässt und ein Aufladen verhindert, sowie mit einem Gleichspannungsverstärker, dessen Eingang die variable Gleichspannung zugeführt ist und an dessen Ausgang die aus dem Kondensator und dem Gleichrichter gebildete Serienschaltung liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungsverstärker ein Operationsverstärker (13, 14)
ist, dessen einem Eingang die variable Gleichspannung und dessen anderem Eingang die an dem Kondensator (11,12) liegende Spannung zugeführt ist, derart, dass der Operationsverstärker (13, 14) als gegengekoppelter Verstärker betrieben ist, und dass der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers (13,14) so hoch wie möglich ist.