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Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Erfassung mechanischer Grössen wie Druck, Kraft,
Beschleunigung, Weg, mit einer Schaltung, um das von einem Messwertgeber, der die mechanische Grösse in ein elektrisches Signal überführt, abgegebene Messsignal auf ein konstantes Bezugspotential zu beziehen, wobei in die
Signalleitung des Messwertgebers ein Eingangskondensator geschaltet ist.
Schaltungsanordnungen dieser Art werden in der Messtechnik verwendet, um von einem einmaligen
Spannungssignal oder von periodischen Spannungsverläufen, deren Nullpunkte durch Drift oder kapazitive
Kopplung unbestimmt sind, die auf den Nullpunkt bezogenen Spitzenwerte oder die Absolutwerte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen (Minima und Maxima) zu bestimmen. Dabei wird zuerst ein Bezugspotential hergestellt, auf welches sich die durch Speichern der auftretenden Potentialdifferenzen gebildete Hüllkurve beziehen kann. Ferner kann mit Hilfe einer solchen Schaltung der Momentanwert des Spannungssignals in einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Phasenwinkel eines periodischen Signals gebildet und gespeichert werden.
Bei den bekannten Spitzenwertgleichrichtern oder den Spitzen- zu-Spitzen-Gleichrichtern erfolgt die
Aufladung des Speicherkondensators und eine allenfalls vorgesehene Rücklagerung des am Eingangskondensator anliegenden Signals über Gleichrichterdioden. Dadurch tritt der Nachteil auf, dass die Schwellspannung der Dioden, welche ihrerseits vom Ladestrom abhängig und daher unbestimmt ist, als Fehler in die Messung eingeht.
Wenn eine Hüllkurve gebildet werden soll, muss der dem Speicherkondensator parallelgeschaltete Ableitwiderstand immer in einem Kompromiss an die Signalform und an die Signalfrequenz angepasst werden, wodurch weitere Ungenauigkeiten auftreten. In Abhängigkeit von der jeweiligen Zeitkonstante wird dabei entweder die Welligkeit zu gross oder die Hüllkurve unvollständig. Bei der Spitzen-zu-Spitzen-Gleichrichtung verdoppelt sich ausserdem der Fehler durch die vorangehende Rücklagerungsdiode. Dabei sind etwa fünf bis zehn Spannungsperioden nötig, bis der Speicherkondensator aufgeladen ist.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und bezweckt die Schaffung einer verbesserten Schaltungsanordnung, die es ermöglicht, das der zu erfassenden mechanischen Grösse analoge Messsignal gegen ein konstantes Bezugspotential genau zu definieren. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass hinter dem Eingangskondensator die Signalleitung mit dem Bezugspotential über eine Leitung mit einem darin eingebauten gesteuerten Schalter, z. B. einem elektrischen Relais oder einem Feldeffekt-Transistor in Verbindung steht, der durch eine Steuereinrichtung kurzzeitig schliessbar ist und hiebei die Signalleitung zwecks Rückführung des Messsignals auf das Bezugspotential kurzzeitig mit dem Bezugspotential verbindet.
Mit dieser einfachen Schaltung ist es möglich, das Messsignal auf ein bestimmtes Bezugspotential zu beziehen, wodurch verhindert wird, dass das Bezugspotential bzw. der Nullpunkt des Messsignals durch Drift oder kapazitive Kopplung unbestimmt- wird.
Ausserdem werden Messfehler, die bei Gleichrichterdioden auf Grund der Schwellspannung auftreten, durch die Verwendung eines gesteuerten Schalters vermieden. Der Zeitpunkt, in welchem der Schalter durch die Steuereinrichtung jeweils kurzzeitig geschlossen wird, richtet sich danach, wie und mit Hilfe welcher weiterer Geräte das Messsignal ausgewertet werden soll.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann bei zwischen der Signalleitung und dem Bezugspotential vorgesehenem Speicherkondensator und Speicherung der Spitzenwerte oder eines bestimmten Momentanwertes des Messsignals vor diesen in die Signalleitung ein weiterer, durch die Steuereinrichtung betätigter Schalter eingeschaltet sein, der zur Aufladung des Speicherkondensators kurzzeitig schliessbar ist. Zur Aufladung des Speicherkondensators sind dabei nur wenige Schwingungsperioden des Messsignals erforderlich, so dass unabhängig von der Drift und der Nullpunktlage des Signals in kürzester Zeit die Hüllkurve der Spitzenwerte gebildet oder ein bestimmter Momentanwert gespeichert werden kann. Diese Eigenschaft der erfindungsgemässen Schaltung ist vor allem bei langsamen Vorgängen vorteilhaft, z.
B. bei der Messung des Druckes und des Druckverlaufes in den Zylindern von langsam laufenden Dieselmotoren.
Die Steuereinrichtung kann gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den oder die Schalter, in Abhängigkeit vom Verlauf des Messsignals, das ihr als Eingangssignal zugeführt ist, betätigen und aus einem Differenzierglied zum Differenzieren des Eingangssignals, einem diesem nachgeschalteten Schmitt-Trigger zum Sensieren der Nulldurchgänge des differenzierten Signals und dem Schmitt-Trigger nachgeschalteten Monovibratoren bestehen, welche die Impulse für die Steuerung der Schalter liefern. Es ist aber auch möglich, nur die Rückführung des Messsignals auf das Bezugspotential mit dieser Steuereinrichtung zu betätigen und den für die Aufladung eines allfälligen Speicherkondensators vorgesehenen Schalter auf andere Weise zu steuern.
Diese Schaltungsanordnung bewirkt in jeder negativen Spitze des Messsignals eine automatische Rückführung desselben auf das Bezugspotential, so dass die Drift zur Gänze ausgeschaltet wird. Eine Spitzen-zu-Spitzen-Gleichrichtung dieser Art kann beispielsweise verwendet werden, um die Wechselbelastung eines Konstruktionsteiles auf die statische Verteilung der Laständerungen hin zu untersuchen.
Den Monovibratoren kann je ein UND-Tor nachgeschaltet und können durch das Eingangssignal gesteuerte Ausblendglieder zur Unterdrückung unerwünschter Impulse vorgesehen sein, deren Ausgangssignal je einem UND-Tor zugeführt ist. Die Schalter werden dabei über die UND-Tore betätigt, welche von je einem Monovibrator und einem Ausblendglied angesteuert sind. Die Ausblendglieder haben die Aufgabe, eine Auslösung der Schalter durch die von den Monovibratoren gelieferten Impulse während bestimmter Intervalle des
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Eingangssignals zu verhindern, so dass beispielsweise eine Auslösung der Schalter nur dann erfolgt, wenn das
Spannungssignal unter 10% der mittleren negativen Spannungsspitzen bzw. über 90% der mittleren positiven
Spannungsspitzen liegt.
Erfindungsgemäss können ferner die Eingänge der Monovibratoren über Umschalter auf nach aussen führende Leitungen umschaltbar sein, über die externe, vom Eingangssignal unabhängige
Triggerimpulse zuführbar sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Schalter zur Rückführung des Messsignals auf das
Bezugspotential aus einer durch elektrische Hilfsmittel, z. B. durch einen Komparator, der das Potential hinter dem Eingangskondensator mit dem Bezugspotential vergleicht, idealisierten Diode bestehen. Sobald das Potential hinter dem Eingangskondensator negativ werden will, entsteht am Ausgang des Komparators eine positive Spannung, welche über die Diode die über den Komparator führende Schleife schliesst und somit ein negatives Potential verhindert.
Die Steuereinrichtung der erfindungsgemässen Messeinrichtung kann aber auch aus einem vom Messablauf unabhängigen, phasenstarren Impulsgeber, welcher bei einem bestimmten Phasenwinkel jeder Periode des Messsignals anspricht, z. B. aus einem Drehwinkelgeber, bestehen. Beispielsweise kann dadurch in einem beliebigen Zeitpunkt oder in einem bestimmten Phasenwinkel eines periodischen Signals der Momentanwert der Messwertspannung ermittelt, allenfalls gespeichert und ausgewertet werden.
Im Rahmen der Erfindung haben sich weitere schaltungstechnische Massnahmen als vorteilhaft erwiesen. So können in die Signalleitung zwei Impedanzwandler eingeschaltet sein, von denen der eine dem Aufladungsschalter vorgeschaltet und der andere dem Speicherkondensator nachgeschaltet ist. Dadurch wird ein gutes Verhältnis zwischen der Lade- und Entladezeit erreicht, beispielsweise eine Ladezeit von 10,uses und eine Entladezeit von 10000 sec. Der dem Aufladungsschalter vorgeschaltete Impedanzwandler kann als Operationsverstärker ausgebildet sein und es kann ferner zwischen dem Ausgang des zweiten Impedanzwandlers und der Eingangsseite des ersten Impedanzwandlers eine Rückführung als Gegenkopplung vorgesehen sein, wodurch eine bessere Linearität und ein schnellerer Anstieg des Aufladungsstromes erzielt wird.
Auch dem Eingangskondensator kann ein Impedanzwandler vorgeschaltet sein, der die kurzen, hohen Stromspitzen liefert, welche zum Auf- bzw. Entladen des Eingangskondensators benötigt werden.
In der nachfolgenden Beschreibung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigt Fig. l eine vereinfachte schematische Darstellung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, Fig. 2 das Schaltbild einer praktischen Ausführungsform und Fig. 3 dazu den Spannungsverlauf in den einzelnen Gliedern der Schaltung. In Fig. 4 ist das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles dargestellt, Fig. 5 zeigt dazu den Signalverlauf und in Fig. 6 ist das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung dargestellt.
Das vereinfachte Schaltbild nach Fig. l zeigt einen Spitzenwertgleichrichter, der im wesentlichen aus einem
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zwischen die Abschnitte--lb und lc--derselben ein Aufladungsschalter --5-- für den Speicherkondensator --3-- eingeschaltet und zwischen den beiden Leitungen--lb und 4--eine Rückleitung--6-für den Eingangskondensator --2-- vorgesehen, welche ebenfalls einen Schalter--7--aufweist. Die beiden Schalter - 5 und 7--werden durch eine Steuereinrichtung --8-- betätigt, die als Messablaufsteuerung in Abhängigkeit von dem der Signalleitung--l--zugeführten Signal ausgebildet sein oder aus einem vom Messablauf unabhängigen Impulsgeber, z.
B. aus einem phasenstarren Kurbelwinkelgeber, bestehen kann.
Durch ein der Signalleitung--l--zugeführtes Spannungssignal wird über die Rückleitung-6--in einem beliebig wählbaren Zeitpunkt des Spannungsverlaufes oder in einem bestimmten Phasenwinkel des periodischen Signals mittels der Steuereinrichtung--8--, die den Rückleitungsschalter-7-kurzzeitig betätigt, der Eingangskondensator --2-- auf die in diesem Zeitpunkt vorhandene Potentialdifferenz zwischen der Eingangsleitung--l--und der Bezugsleitung --4-- aufgeladen.
über den Schalter--5--, der ebenfalls
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Schaltungsanordnung kann in verschiedenster Weise angewendet werden, um ein einmaliges Spannungssignal oder periodische Spannungsverläufe auf ein Bezugspotential rückzulagern, wodurch beispielsweise die Spitzenwerte oder die Differenzwerte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen (Berg und Tal) des Signals bestimmt werden können.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Spitzenwertspeicher, der die Spitzenwerte eines periodischen Signals für je eine Periodendauer speichert und so die Hüllkurve bildet. Die Steuereinrichtung --8-- ist dabei als Messablaufsteuerung ausgebildet und arbeitet in Abhängigkeit vom Verlauf des Messsignals. Von der Signalleitung--l--zweigt vor dem Eingangskondensator --2-- eine Leitung--9--ab, die zu einem Differenzierglied führt, welches aus einem Kondensator einem Operationsverstärker --12-- und einem Widerstand --15-- besteht. Ferner sind als für praktische
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--10--, Zenerdioden --13-- undMonovibratoren--17 und 18--speist, deren Impulse an je ein UND-Tor--19 und 20--weitergeleitet werden.
Ferner sind an die leitung --9-- Ausblendglieder --21 und 22--angeschlossen, die zusammen mit
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18- dieAusführungsbeispiel als elektromechanische Relais--5'und 7'--ausgebildet sind. Zwischen dem Schmitt-Trigger --16-- und den Monovibratoren-17 und 18-sind Umschalter-23 und 24-vorgesehen, durch die die Eingänge der Monovibratoren --17,18-- vom Schmitt-Trigger --16-- getrennt und an nach aussen führende Leitungen-25 und 26-angeschlossen werden können, über welche die Zuführung von externen, vom Eingangssignal unabhängigen Triggerimpulsen zur Steuerung eines oder beider Schalter --5,7-- möglich ist. Ferner sind in die Signalleitung --1-- Impedanzwandler --27, 28 und 29--
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In Fig. 3 ist an Hand eines beispielsweise gewählten Signals die Wirkungsweise und der Spannungsverlauf in den einzelnen Gliedern der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 gezeigt. Ein periodisches Spannungssignal--31-wird der Signalleitung --1-- zugeführt, wobei der Impedanzwandler--27--die kurzen, hohen Stromspitzen liefert, welche zum Auf- bzw. Entladen des Eingangskondensators--2--benötigt werden. Das über die
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Steuereinrichtung-8-zugeführteZenerdioden --13-- eine rückkehrzeitfreie Begrenzung ermöglichen. Der Kondensator --14-- und der Widerstand--10--beschneiden das Frequenzband an der oberen Grenze, damit die hohen Frequenzen nicht mehr differenziert werden.
Das differenzierte Signal --32-- wird dem Schmitt-Trigger--16--zugeführt, der die Nulldurchgänge und somit die positiven und negativen Spitzen des Spannungssignals--31--feststellt. Die Hysterese des Schmitt-Triggers--16-ist einstellbar und unterdrückt kleine hochfrequente Signale, welche keinen Impuls auslösen sollen. Die Monovibratoren--17 und 18-- bilden im Moment der Nulldurchgänge des differenzierten Signals --32-- je einen kurzen Impuls-33--, dessen Dauer z. B. 1 bis 10,uses beträgt und welcher den UND-Toren--19 bzw. 20--zugeführt wird.
Die Ausgangsglider --21 und 22--liefern ein Ausblendsignal--34--, welches die UND-Tore --19
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mittleren positiven Spannungsspitzen liegt. Durch die in bestimmten Zeitabständen erfolgende Auslösung des Schalters --7-- erfolgt somit eine Rücklagerung des Spannungssignals--31--auf das Bezugspotential, so
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schnellerer Anstieg der Aufladung erreicht wird. Bei Vorhandensein der Rückführung--30--kann auch der Schalter --5-- durch eine Diode ersetzt sein, wobei die sonst zu Messfehlern führende Dioden-Schwellspannung durch die Rückführung eliminiert wird. Die zweckmässige Speicherzeitkonstante kann durch einen parallel zur Diode gelegten Widerstand erzielt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist lediglich eine Rücklagerung--6--für das der Signalleitung - 1-- zugeführte Spannungssignal auf das Potential der Bezugseitung --4-- vorgesehen. Die Steuereinrichtung --8-- besteht dabei aus einem Differenzierglied--11, 12, 14--, einem Schmitt-Trigger - und einem Monovibrator-17--, der den RücHagerungsschalter-7-auslöst. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, bewirkt diese Schaltungsanordnung eine automatische Rücklagerung des Eingangssignals --37-- auf Bezugspotential in jeder negativen Spannungsspitze der Signalkurve, so dass ein von der Drift des Eingangssignals --37-- unabhängiges rückgelagertes Ausgangssiganal --38-- erhalten wird.
Es handelt sich dabei um einen Berg-zu-Tal-Wert-Bildner (Peak-to-Valley-Detector), der beispielsweise verwendet werden kann, um die Wechselbelastung eines Konstruktionsteiles auf die statistische Verteilung der Laständerungen hin zu
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6--2-- negativ werden will, entsteht am Ausgang des Komparators--40--eine positive Spannung, welche über die Diode--39--die Rücklagerungsschleife schliesst und somit ein negatives Potential am Eingang des
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Impedanzwandlers --28-- verhindert. Es handelt sich somit um eine vom Messablauf abhängige Steuerung der Diode--39--, wobei der Komparator --40-- die Steuereinrichtung bildet.
Das rückgelagerte Signal ladet über den Schalter-5-, der ebenfalls aus einer Diode besteht, in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 den Speicherkondensator --3-- auf. Die Schwellspannung der den Schalter --5-- bildenden Diode wird durch die Rückführung-30-eliminiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Messeinrichtung zur Erfassung mechanischer Grössen wie Druck, Kraft, Beschleunigung, Weg, mit einer Schaltung, um das von einem Messwertgeber, der die mechanische Grösse in ein elektrisches Signal überführt, abgegebene Messsignal auf ein konstantes Bezugspotential zu beziehen, wobei in die Signalleitung des
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Verbindung steht, der durch eine Steuereinrichtung (8) kurzzeitig schliessbar ist und hiebei die Signalleitung (1) zwecks Rückführung des Messsignals auf das Bezugspotential kurzzeitig mit dem Bezugspotential (4) verbindet.