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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Multiplizieren und anschliessendem Integrieren analo- ger elektrischer Signale, bestehend aus einem Integrator, an dessen Eingang ein einem Faktor einer zu inte- grierenden Funktion entsprechendes Eingangssignal gelegt wird und dessen Ausgang mit einem der Eingänge eines mit einem Vergleichssignal beaufschlagbaren Vergleichers verbunden ist, der zur Abgabe eines Impulses bei Gleichheit der ihm zugeführten Signale geschaltet ist und an dessen Ausgang ein Steuerelement zur Löschung des Integrators sowie ein Ausgangsimpulszähler angeschlossen sind.
Es sind Einrichtungen zum Messen des Energieverbrauches bekannt, die elektrodynamische Systeme enthalten. Das bekannteste Beispiel ist der elektrodynamische Wattstundenzähler, bei dem das Produkt von Strom und Spannung gebildet und über eine bestimmte Zeit integriert wird. Derartige Energieverbrauchszähler besitzen umlaufende und schnell verschleissende Teile mit grossen Massen, was deren Einsatz in ortsbeweglichen Anlagen, wie elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, erschwert und ihre Lebensdauer beschränkt. Solche Geräte er- fordern eine sorgfältige Pflege und Wartung sowie häufige Überprüfungen.
Diese Nachteile werden von einem elektronischen einphasigen Wattstundenzähler (USA-Patentschrift Nr. 2,919, 408), der keine bewegten Teile besitzt, weitgehend beseitigt. Dabei wird dem Eingang eines elektronischen Integrators, der einen als Stromquelle geschalteten Transistor enthält, das eine Eingangssignal (Multiplikant) zugeführt. Die Ausgangsspannung des Integrators wird an einer Kapazität abgenommen und mit einer Bezugsspannung, die von dem andern Eingangssignal (Multiplikator) abhängig ist, verglichen. Im Augenblick der Gleichheit beider Spannungswerte löst ein Vergleichsglied einen Impuls aus, der die Entladung der Kapazität des Integrators bewirkt und von einem Impulszähler erfasst wird.
Der Nachteil einer derartigen Schaltung zur Multiplikation und Integration liegt in der beschränkten Zahl von nur zwei Faktoren der zu integrierenden Funktion, wobei der Multiplikator als Bezugsspannung vorgegeben werden muss, deren Betrag umgekehrt proportional dem Multiplikanden sein muss. Da die Bezugsspannung von einer Konstantspannungsquelle abgeleitet wird, ergibt das Verfahren des Vergleiches der beiden Spannungspegel nur eine ausreichende Genauigkeit der Messung des Wirkleistungsverbrauches bei relativ geringen Schwankungen der Netzspannung.
Eine solche Multiplikationsschaltung ist völlig unbrauchbar, wenn die Multiplikanden als Eingangssignale mit geringer Amplitude vorliegen. So beträgt die am Strompfad eines Gleichstrom-Wattstundenzählers abgenommene Spannung beispielsweise weniger als 150 mV.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Multiplikation und nachfolgenden Integration von analogen elektrischen Signalen zu schaffen, die mit einem Eingangssignal als Multiplikator und mit beliebig vielen Eingangssignalen als Multiplikanden beaufschlagbar ist, die eine hohe Genauigkeit auch bei Eingangssignalen mit geringer Amplitude aufweist und für Energieverbrauchszähler. wie Wattstundenzähler, Wärmezähler, verschiedenartige Arbeitszähler sowie für Mess- und Rechenglieder anwendbar ist, wobei die Vorteile der bekannten elektronischen Einrichtungen gegenüber den elektrodynamischen, wie geringere Abmessungen, grössere Wartungsfreiheit und höhere Betriebssicherheit, beim Einsatz in ortsveränderlichen Anlagen beibehalten werden.
Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung der eingangs umrissenen Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss dem Eingang des Integrators eine UND-Torschaltung vorgeschaltet ist, an deren Signaleingang das Eingangssignal gelegt wird und an deren Steuereingang der Ausgang eines Signalwandlers zur Multiplikation von wenigstens zwei weiteren Faktoren der zu integrierenden Funktion entsprechenden Signalen angeschlossen ist, wobei die Dauer des Ausgangssignals des Signalwandlers dem Produkt dieser weiteren Faktoren entspricht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann bei Vorliegen von n-Faktoren der Signalwandler aus (n-1) in Reihe geschalteten Pulsdauermodulatoren aufgebaut sein, wobei der Steuereingang des ersten Pulsdauermodulators an einen Taktimpulsgenerator angeschlossen ist, die Steuereingänge der übrigen Pulsdauermodulatoren mit jeweils dem Ausgang des vorgeschalteten Pulsdauermodulators verbunden sind und an die Eingänge der Pulsdauermodulatoren die den (n-l) Faktoren entsprechenden Eingangssignale gelegt werden.
Zweckmässigerweise kann hiebei der Pulsdauermodulator eine Integrierstufe aufweisen, deren Eingang eine Schreibschaltung und eine Leseschaltung zur Abfrage der in der Integrierstufe enthaltenen Information vorgeschaltet sind ; wobei der Ausgang der Integrierstufe über einen Nullindikator mit der Leseschaltung verbunden ist.
Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ergibt einen Wattstundenzähler, bei welcher der Signalwandler aus zwei Pulsdauermodulatoren sowie einem diesen nachgeschalteten ImpulsdauerDifferenzbildner besteht, die Eingänge der Pulsdauermodulatoren parallel zu einem Messwiderstand eines Verbraucherkreises an die eine Diagonale einer Widerstandsbrücke angeschlossen ist, an deren andere Diagonale eine Bezugsspannung angelegt ist, und der Impulsdauer-Differenzbildner mit dem Steuereingang der UND-Torschaltung verbunden ist. an deren Eingang die Verbraucherspannung angelegt ist.
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung stellt einen Wärmezähler dar, bei welcher der Signalwandler einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Impulsen konstanter Dauer aufweist, welcher einem Messgerät zur Momentanwertmessung der Durchflussmenge eines Mediums nachgeschaltet sowie an die Steuereingänge von zwei Pulsdauermodulatoren vorgeschalteten UND- Torschaltungen angeschlossen ist, deren Eingän-
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ge mit je einem im zu-bzw. abströmenden Medium angeordneten Temperaturfühler verbunden sind, wobei die Pulsdauermodulatoren über einen Impulsdauer-Differenzbildner an denSteuereingang der UND-Torschaltung angeschlossen und deren Signaleingang ein konstantes oder ein Korrektursignal zugeleitet wird.
Bei den beiden zuletzt genannten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn die Pulsdauermodulatoren Magnetkerne mit im wesentlichen rechteckiger Hysteresisschleife aufweisen, welche Magnetkerne mit je einer Schreibwicklung und einer rückschreibenden Leseschaltung versehen sind, deren Lesewicklungen über Dioden an einen Schalter zur Unterdrückung von Störimpulsen angeschlossen sind.
Das Wesen der erfindungsgemässen Einrichtung besteht darin, dass die Impulsdauer der von dem Taktimpulsgeber gelieferten Impulse durch die Amplitude des jeweiligen Multiplikand-Eingangssignals moduliert wird. Die jeweilige Impulsdauer am Ausgang eines Pulslängenmodulators ist demnach proportional der an diesem Modulator anliegenden Amplitude des Eingangssignals. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Pulslängenmodulatoren als Eingangssignalwandler ergibt sich die Möglichkeit, ein Produkt mit mehreren Multiplikanden in bekannter Weise zu integrieren.
Da bei der erfindungsgemässen Einrichtung keine Näherungsverfahren verwendet werden, erhält man eine hohe Genauigkeit in der Arbeitsweise. So ist beispielsweise bei dem angegebenen Wattstundenzähler die Genauigkeitsklasse 1,0 und bei dem angegebenen Wärmezähler die Genauigkeitsklasse 1,5 erreichbar.
Gegenüber den elektrodynamischen Systemen weist die erfindungsgemässe Einrichtung auch einen geringeren Platzbedarf, eine geringere Masse und das Fehlen von bewegten Teilen auf. Ausserdem ist die Störanfälligkeit der Einrichtung sehr gering, da sie in gedruckter Schaltungstechnik herstellbar ist, wodurch auch eine hohe Lebensdauer gegeben ist. Die Einrichtung eignet sich gut für ortsveränderliche Anlagen, wobei auch eine Fem- übertragung der einzelnen Messwerte möglich ist.
Die Erfindung kann auch im wissenschaftlichen Gerätebau und in der Elektromedizin angewendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In diesen zeigen Fig. l das Blockschaltbild der erfindungsgemässen Einrichtung, Fig. 2 das Blockschaltbild zur Erläuterung der Zusammenschaltung der Signalwandler bei der Berechnung des Integrals des Produkts mehrerer Faktoren, Fig. 3 das Blockschaltbild einer Stufe des Pulsdauermodulators, Fig. 4 das Blockschaltbild eines Wattstundenzählers mit der erfindungsgemässen Einrichtung, Fig. 5 das Blockschaltbild eines Wärmezählers mit der erfindungsgemässen Einrichtung und Fig. 6 das Prinzipschaltbild des Signalwandlers gemäss der Erfindung.
Gemäss Fig. l enthält die erfindungsgemässe Einrichtung einen Integrator -1-- (Fig. l) mit einer UND-Tor-
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dauermodulators am Ausgang des vorangehenden angeschlossen wird. Am Ausgang des in der Signalflussrichtung letzten Pulsdauermodulators ist die UND-Torschaltung-2-mit ihrem Steuereingang angeschlossen. An den zweiten Eingang der UND-Torschaltung --2-- kann somit noch ein Faktor --Un-- gelegt werden.
Jeder Pulsdauermodulator enthält eine Schreibschaltung-8-und einen Modulator-9-, dessen Ausgangsimpulsdauer Ti proportional der Amplitude des jeweiligen Eingangssignals-Ui--ist. Von der Schreibschaltung --8-- wird nur dann ein Ausgangssignal an den Modulator -9-- abgegeben, wenn die vorhergehende Stufe des Signalwand- 1ers --6- bzw. der Taktimpulsgenerator -7- einen Ausgangsimpuls liefert.
Während dieser Schreibzeit beeinflusst die Amplitude des Eingangssignals-Ui-diese Impulsdauer'ri ; die in der Impulsdauer Ti enthaltene Information der Amplitude wird dabei in eine Integrierstufe die einen Teil des Modulators --9-- dar- stellt,"eingeschrieben"und später in der Zeit"herausgelesen", in der die Impulsfolge den Signalpegel Null aufweist.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Signalwandlers --6-, der einen Pulsdauermodulator mit Schreibund Lesezyklus darstellt. Der Modulator enthält eine von einem Schreibimpuls von der Dauer To gesteuerte Schreibschaltung --10- und eine Integrierstufe --11--. der ein Nullindikator-12-- nachgeschaltet ist. An den Ausgang des Nullindikators --12- ist der Eingang einer Triggerschaltung --13-- angeschlossen. Der andere Eingang der Triggerschaltung --13- ist über ein Differenzierglied-14-mit dem Eingang der Schreib- schaltung --10- verbunden, der auf diese Weise der Schreibimpuls zugeführt wird. Der Triggerausgang --13-ist mit dem Steuereingang einer Leseschaltung --15- verbunden.
Das Eingangssignal-U - gelangt an den Eingang der Integrierstufe --11- über die Schreibschaltung-10-.
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Als Integrierstufe --11-- können viele Integratortypen Verwendung finden. Sehr oft wird aber zur Vereinfachung der Schaltung ein elektromagnetischerIntegrator mit Magnetkernen mit rechteckiger Hysteresisschleife verwendet.
Ein Pulsdauermodulator mit einer solchen Integrierstufe besitzt eine gute Linearität der Kennlinie T.. = f (U,T) (T bedeutet die Dauer des Ausgangsimpulses und U01 die Eingangsspannung), weist aber eine Unempfindlichkeitszone auf. Bei schwachen Eingangssignalen ist eine Differenzschaltung für den Signalwandler zweckmässig.
Die Funktionsweise dieser Schaltung ist folgende : Der vom Taktimpulsgenerator --7-- ankommende Schreibimpuls von der Dauer "'0 öffnet die Schreibschaltung -10 -- am Eingang der Integrierstufe-11-, deren Ausgangsspannung während der Dauer #0 eines Schreibimpulses um #U1 = K1#0U01 (1) zunimmt, wobei uil die Eingangssignalspannung und Kl eine Konstante der Integratorschaltung bedeuten.
Mit seiner Rückflanke löst der Schreibimpuls über das Differenzierglied --14-- die Triggerschaltung --13-aus, deren Ausgangsimpuls hiebei die Leseschaltung --15-- am Eingang der Integrierstufe --11-- öffnet, Da die Signale --U02 und U1--entgegengesetzte Polarität haben. geht das Signal am Ausgang der Integrierstu- fie-11-- während der Dauer teintes Leseimpulses bis auf Null zurück. Dieser Signalwert wird vom Nullindi- kator--12--erfa#t, Dabei gelten folgende Beziehungen :
EMI3.1
Dabei bedeuten :
EMI3.2
AU02U die Lesespannung.
Daraus folgt
EMI3.3
mit
EMI3.4
EMI3.5
-1- istwobei Ti die Dauer des Ausgangsimpulses des i-ten Pulslängenmodulators --I-- der Reihenschaltung nach Fig.2,
Ui die Eingangssignale am i-ten Pulslängenmodulator -1-,
Ko eine Konstante des Eingangssignalwandlers --6-- sind.
Die Impulsdauer Ti ist demnach dem Produkt aus den Amplituden der Eingangssignale --Ui-- und der Taktimpulsdauer To des Tektimpulsgenerators --7-- direkt proportional.
Als Beispiel für einen derartigen Differenzmodulator kann der Modulator des Strommessteiles eines Wattstundenzählers (Fig. 4) dienen. Das im Pulsdauerverfahren abzutastende Signal wird an einem Messwiderstand - 16-abgenommen.
Der Differenzmodulator --III-- nach Fig. 4 ist aus zwei gleichen Pulsdauermodulatoren --17,18-- zusammengesetzt, die an benachbarten Zweigen --19,20-- einer Widerstandsbrücke --II-- angeschlossen sind, deren einer Diagonalzweig über einen Zusatzwiderstand-21-am Messwiderstand-16-des Netzes mit der
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--22- liegt,- -17, 18-- haben die Werte
EMI4.2
Am Ausgang der mit der Lesespannung --U0,2-- beaufschlagten Pulsd auermodulatoren --17,18-- treten Impulse mit der Dauer
EMI4.3
EMI4.4
EMI4.5
auf.
Die Dauer'T1 des Ausgangsimpulses des Impulsdauer-Differenzbildners-24-ergibt sich zu #1 = #18 = #17 = K1UJ (X) und ist somit proportional dem Netzstrom. Die Anwendung des Differenzprinzips erhöht die Genauigkeit der er- findungsgemä#en Einrichtung und, schaltet den Einfluss der Schwankungen von Umgebungsbedingungen auf das Betriebsverhalten weitgehend aus. Diese Vorteile werden nur bei gleichem Kennlinienverlauf beider Pulsdauermodulatoren--17,18--erreicht,
Liegt die Folgefrequenz f der impulsez etwa bei der höchsten im Signal des Stromes J und der Verbraucherspannung-Uc-auftretenden Frequenz und ist sie ausreichend stabil, so entspricht der Mittelwert des
EMI4.6
UND-Twobei
UWh die Ausgangsspannung des Integrators --1--,
EMI4.7
Das stufenweise ansteigende Ausgangssignal --UWh-- des Integrators --1-- wird im Vergleicher --3- mit einem Vergleichssignal-U-verglichen. Im Augenblick, wo die beiden Signale --UWh und U-den gleichen Wert haben, gibt der Vergleicher --3- einen Impuls ab, der das Steuerelement --4-- zum Löschen bzw.
Umschalten des Integrators-l-auslöst und vom Ausgangsimpulszähler --5-- erfasst wird. Der Impulszähler - dient als Anzeigegerät für das Ausgangssignal. Die vom Impulszähler --5-- angezeigte Impulszahl ergibt sich zu
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EMI6.1
EMI6.2
Daraus folgt :
EMI6.3
und
EMI6.4
Darin bezeichnen
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<tb>
<tb> T <SEP> die <SEP> Leseimpulsdauer <SEP> des <SEP> Pulsdauermodulators-17-,
<tb> T18 <SEP> die <SEP> Leseimpulsdauer <SEP> des <SEP> Pulsdauermodulators-18-,
<tb> w <SEP> die <SEP> Windungszahl <SEP> der <SEP> Schreibwicklung <SEP> --36-- <SEP> und <SEP>
<tb> w <SEP> die <SEP> Windungszahl <SEP> der <SEP> Lesewicklung-37-. <SEP>
<tb>
Der Differenzimpuls r am Ausgang des Impulsdauer-Differenzbildners-24-- (in Fig. 6 nicht dargestellt) ergibt sich aus der Beziehung
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Das auf die UND-Torschaltung-2-bzw. auf den nächsten Differenzmodulator-III-- gelangende Ausgangssignal ist also direkt proportional dem Eingangssignal-U.-und der Schreibimpulsdauer T.
Nach Sperren der Torschaltung -41-- wird in der Lesewicklung-37-ein beträchtlicher Störimpuls induziert. Die Ursache dafür ist die Abweichung der wirklichen Hysteresisschleife des Magnetkernes-35-vom idealen Rechteck. Der erwähnte Störimpuls beeinträchtigt die Stabilität des Differenzmodulators-III-.
Um den Störimpuls zu unterdrücken, ist die Schaltung vorgesehen, zu der die Dioden -43, 44- gehören.
Der gemeinsame Anodenpunkt dieser Dioden wird über den Schalter -42-- mit dem gemeinsamen Punkt der Wicklungen -37-- während des Lesevorganges verbunden.
Es ist zu bemerken, dass es bei Anwendung anderer Arten von Temperaturfühlern und Messgeräten zur Messung der Durchflussmenge vorteilhafter ist, die Schaltung des Wärmezählers nach dem Prinzip des Blockschaltbildes gemäss Fig. 4 aufzubauen.
Die erfindungsgemässe Einrichtung, die mit Transistoren und Magnetkernen aufgebaut ist, hat äusserst hohe Betriebssicherheit, enthält keine beweglichen Teile und erfordert wenig Platz. Sie behält ihre hohe Funktionsgenauigkeit und Zuverlässigkeit auch bei starken Erschütterungen bei, wie sie bei ortsbeweglichen Anlagen auftreten. ist fertigungstechnisch sehr günstig aufgebaut und kann mittels gedruckter Schaltungen als Miniaturbauteil hergestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Multiplizieren und anschliessendemIntegfieren analoger elektrischer Signale, bestehend aus einem Integrator, an dessen Eingang ein einem Faktor einer zu integrierenden Funktion entsprechendes Eingangssignal gelegt wird und dessen Ausgang mit einem der Eingänge eines mit einem Vergleichssignal beaufschlagbaren Vergleichers verbunden ist, der zur Abgabe eines Impulses bei Gleichheit der ihm zugeführten Signale geschaltet ist und an dessen Ausgang ein Steuerelement zur Löschung des Integrators sowie ein Aus- gangsimpulszähler angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingang des Integrators (l) eine UND-Torschaltung (2) vorgeschaltet ist, an deren Signaleingang das Eingangssignal gelegt wird und an deren Steuereingang derAusgang eines Signalwandlers (6)
zur Multiplikation von wenigstens zwei weiteren Faktoren der zu integrierenden Funktion entsprechenden Signalen angeschlossen ist, wobei die Dauer des Ausgangssignals des Signalwandlers (6) dem Produkt dieser weiteren Faktoren entspricht.