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BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY CIRCUITS ELECTRIQUES PERMETTANT L'INTEGRATION ET LA DIFFERENTIATION DE VARIATIONS ELECTRIQUES.
L'invention se rapporte à des appareils permettant de conver- tir des variations électriques d'une forme d'onde donnée en variati -ons électriques qui sont une fonction dérivée des premières, c'est -à-dire que l'invention concerne des appareils permettant de conver -tir des variations électriques en d'autres variations qui sont une différentiation des premières,et d'effectuer une conversion inverse,
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c'est-à-dire une intégration.
Les moyens d'intégration et; de différentiation sont tels qu' ils peuvent être utilisés en connexion avec l'indication électrique des pressions dans le cylindre d'un moteur, ainsi qu'avec d'autres variations,telles que les mouvements d'une valve, les changements de pression dans une ligne d'alimentation de combustible, et les vibrations de moteurs ou autres mécanismes analogues.
Il existe différentes méthodes bien connues pour indiquer et mesurer des variations de ce genre en les convertissant en variati- ons électriques, puis en se servant de ces vibrations électriques pour actionner'un oscillographe qui donne une indication visuelle ou photographique des mouvements ou changements. Ainsi par exemple dans le cas de pressions dans le cylindre d'un moteur, un diaphragme peut être disposé pour être actionné en concordance avec la pression de ce cylindre,et les mouvements du diaphragme peuvent être conver- tis en variations électriques par des dispositifs électromagnétiques ou autres appareils analogues.
Dans certains cas, les variations électriques peuvent être di -rectement transmises à l'oscillographe (après amplification si né- cessaire), puisque l'indication doit avoir les mêmes dimensions que le voltage dérivé de l'indicateur. Un exemple de ce fait réside dans le cas d'un cristal piézo-électrique disposé pour être influencé par la pression de gaz d'un cylindre de machine, la différence de poten- tiel développée à travers le cristal étant proportionne!Le à la pres- -sion du gaz. Donc si une indication de cette pression est recher- chée,les voltages obtenus de cette manière peuvent être appliqués sans modification sur un oscillographe. La même chose est vraie en ce qui concerne les changements de voltage ou de courant obtenus d' autres dispositifs tels que des piles au charbon.
Dans d'autres cas on désire indiquer une quantité ayant des grandeurs différentes de collas du voltage dérivé. Par exemple, si un diagramme, influencé par la pression s'exerçant dans une machine, se meut relativement à un électro-aimant, comme dans un récepteur télé-
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-phonique, et si l'entrefer entre l'armature et l'électro-aimant ne peut être fait très petit, le voltage développé à travers les bobines de l'électro-aimant est proportionnel à la valeur du chan- gement de position (c'ast-à-dire la vitesse) du diaphragme, et par suite à la valeur du changement de pression. Dès lors si l'on dési -re indiquer la pression dans la machine, le voltage dérivé des bo -bines de l'électro-aimant doit être intégré par rapport au temps.
De plus, quand on utilise un dispositif dt type piézo-électrique,il peut être désirable d'indiquer les dimensions de la pression moyenne effective, ou de l'énergie mécanique, et ici encore une intégration du voltage obtenu est nécessaire.
Dans d'autres cas il peut se faire que l'on recherche à obte- nir une onde de voltage qui a une forme qui soit la différentielle d'une autre forme d'onde donnée. Un exemple de ce genre peut se rencontrer quand on désire indiquer les mouvements d'un corps en fom -tion de la vitesse, et si l'unité détectrice qui est le dispositif , répondant aux mouvements donne un voltage proportionnel au déplace- ment du corps. Un tel dispositif peut par exemple être du type piézo -électrique ou à pile au charbon.
Le but principal de la présente invention est de prévoir des moyens pouvant être utilisés avec des dispositifs indicateurs tels que ceux mentionnés ci-dessus, et par lesquels on peut dériver d'une onde donnée de voltage une onde qui est pratiquement l'intégration ou la différentiation réelle de l'onde donnée.
Dans ce but,on a pré- vu un appareil pour produire des variations électriques ayant une forme d'onde qui est une intégration ou une différentiation de la forme d'onde de variations électriques données, le dit appareil com- prenant un circuit élémentaire d'intégration ou de différentiation, des moyens pour appliquer des voltages devant être intégrés ou diffé -rentiés d'un appareil,répondant aux dites variations aux bornes d' arrivée du dit circuit, et un moyen pour fournir des bornes de sortie du dit circuit à ses bornes d'entrée un voltage compensateur qui est
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dans une relation de phase et une amplitude telle qu'il sera fourni aux bornes de sortie des variations électriques ayant une forme d'on -de qui est une intégration ou une différentiation pratiquement vraie de la forme d'onde donnée.
De préférence, une valve thermoioni -que est disposée sur les bornes d'entrée et de sortie du circuit élémentaire d'intégration ou de différentiation, et l'alimentation en retour a lieu du circuit d'anode de la dernière valve au circuit grille de la première valve.
L'invention sera décrite au moyen d'exemples représentés sur les figures du dessin ci-joint. Sur ce dessin: la figure 1 donne un diagramme explicatif; la figure 2 montre le schéma du circuit d'une des formes de réalisation de l'invention; la figure 3 se rapporte à un circuit intégrateur modifié qui peut être substitué à celui de la figure 2; les figures 4 et 5 représentent des circuits différentia- teurs qui peuvent être mis à la place du circuit intégrateur de la figure 1. Sur chacune de ces figures les mêmes chiffres de référence désignent les parties semblables des circuits.
On sait que la valeur du changement d'une pression ou la va- leur du changement d'une position (ou vitesse) d'un corps est propor -tionnelle au voltage fourni par un dispositif tel qu'un récepteur téléphonique mentionné ci-dessus, et peut s'exprimer mathématique- ment par dP#dt = kv. où P est la pression ou déplacement à un moment quelconque t, tandis que v est le voltage et k une constante.
La pression ou le déplacement à un moment quelconque t est alors donné par l'équation suivante :
P = K# vdt + kl où kl est une constante arbitraire.
L'intégration requise par cette deuxiéme équation peut être réalisée théoriquement sur une forme d'onde ayant un potentiel v variant avec le temps, en appliquant le voltage v aux bornes d'en- trée A, B d'un réseau artificiel comprenant une résistance Rl et un
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condensateur Cl connectés entre les bornes d'entrée A, B et les bornes de sortie C, D, ainsi qu'il est montré figure 1. Si le potentiel e, appliqué à travers le condensateur Cl,peut à tout moment être négligé vis-à-vis de v, alors la différence de potentiel à travers la résistance R1 sera aussi v.
Un courant i passera donc dans la résistance R1 oû à un moment quelconque i = v/R1 Si aucun courant n'est pris des bornes de sortie C,D, le potentiel e sera à un moment quelconque égal à# @ Dés lors c = 1/R1C1 # vdt En d'autres termes, le potentiel o est la valeur intégrée du poten -tiel v et est proportionnel à P comme requis.
Maintenant en pratique il est difficile d'arranger les valeurs C1 et Rl de manière que la valeur de ± soit toujours si petite qu'el -le puisse être négligée vis-à-vis de V. Une des raisons évidente est que c'est la valeur de ± qui doit être enregistrée ou utilisée au- trement pour actionner un oscillographe,et la condition précédente est équivalente à une réduction dans la sensibilité vers une valeur négligeablement petite.
Donc pour que le dispositif d'intégration puisse être utilisé utilement, il est nécessaire d'arranger le circuit de manière que la différence de potentiel maximum à travers le condensateur Cl atteigne une valeur qui soit une fraction pratique du potentiel v, soit 10% de la valeur maximum. Dans ce cas le voltage qui provoque le passage du courant aans le condensateur Cl à travers la résistance R1 n'est plus exactement égal à v, et o n'est plus ainsi une intégrale réelle de v.
L'arrangement montré figure 1 est un exemple de ce qui est mentionné dans la présente spécification comme un circuit intégrateur élémentaire. Il peut seulement réaliser une intégration réelle dans des circonstances qui sont difficiles,sinon impossibles, à établir en pratique.
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En prenant comme exemple de l'effet produit par l'emploi en pratique du circuit de la figure 1, le voltage qui peut âtre dévelop -pé à travers une bobine électromagnétique coopérant avec un diaphr -me influencé par la pression s'exerçant dans le cylindre d'une ma- chine Diesel, pendant un cycle, ce voltage sera trouvé s'élevant à une pointe maximum positive justement au-delà du centre du point mort,pour tomber très rapidement à travers le point zéro vers un ma -ximum négatif moins élevé, puis revenir graduellement au zéro.
Si ce voltage est appliqué au circuit élémentaire intégrateur décrit ci -dessus, le voltage de sortie part de zéro, s'élève à une valeur ma -ximum moindre qu'il ne le devrait, et au lieu de retourner au zéro à la fin du cycle, reste en-dessous de zéro à une valeur négative quelconque.
Sur la figure 2 est représentée une forme de circuit conforme à la nrésente invention, et par lequel la difficulté mentionnée oi- dessus peut être évitée ou du moins fortement réduite de manière qu' une intégration pratiquement exacte peut être obtenue.
Suivant la figure 2, la bobine 5, ou autre source du voltage devant être intégré, est connectée entre les bornes d'entrée X et Y.
La borne X est reliée à la grille, d'une valve triode Vl dont l'anode est connectée à travers une résistance 1 à une source convenable de courant. Cette même anode est reliée à travers un condensateur 2 à une borne d'entrée A d'un circuit intégrateur élémentaire du genre de celui montré figure 1. Une résistance 3 est intercalée entre les bornes d'entrée A et B. Les bornes B et D sont connectées à la terre à travers une source 4 fournissant le voltage de plaque.
La borne C est reliée à la grille d'une deuxième valve V2 dont la cathode est connectée à la cathode de la valve 71 et à la terre.
L'anode de la valve V2 reçoit le potentiel voulu d'une source conve- nable à travers une résistance 6, et est branchée à la terre à tra- vers un condensateur 3 et deux résistances R2 et R3. Une source de polarisation si elle est nécessaire pour un dernier étage d'amplifi- cateur,peut être insérée entre la résistance R3 et la terre.
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Le point de jonction des résistances R2 et R3 est relié à la borne d'entrée Y à travers un condensateur C2. De cette manière une partie de la différence de potentiel de sortie,développée à travers les résistanoes R2 et R3, c'est-à-dire celle développée à travers la résistance R3, est fournie à travers le condensateur 02 à la grille de la première valve. La valeur de l'alimentation en retour peut ê- tre réglée en faisant varier les valeurs relatives de R2 et R3.Dans ce but, si on le désire, R3 et une partie de R2 peuvent être dispo- sées oomme un diviseur réglable de potentiel. On doit noter que le voltage d'alimentation en retour est appliqué au circuit grille-ca- thode de la valve V1 effectivement en série avec le voltage de la bobine 5.
Bien que des résultats satisfaisants peuvent être obtenus ave@ le circuit tel que décrit, l'instabilité de l'amplificateur peut se produire si l'alimentation en retour est réglée à une valeur telle que la correction complète des erreurs du circuit intégrateur élé- mentaire est obtenue. Pour empêcher cela, une résistance R4 est con -neotée en série avec une source 8 de polarisation de grille entre la borne Y et la terre. La combinaison de G2 et de la résistance R4 agit quelque peu comme une section de filtre passe haut.
Ainsi aux hautes fréquences, l'impédance de C2 est négligeable oomparée avec la résistance R4,de sorte que les résistances R4 et R3 sont effec- tivement en parallèle,tandis qu'aux fréquences très basses l'impé- dance de '02 est très haute comparée à la résistance R4,de sorte qu' aux très basses fréquences les voltages subissent une grande atténu -ation et aussi, naturellement, un déphasage de 90 . Puisque le cir -cuit intégrateur élémentaire produit une plus grande atténuation des plus hautes fréquences, l'ensemble peut de cette manière être rendu stable.
On doit noter que puisque les bobines C et D sont connectées à travers le circuit-grille de la deuxième valve, pratiquement aucun courant n'est pris de ces bornes. Le sens du voltage du courant d'a- limentation,tel que décrit,est tel qu'il s'ajoute au voltage v
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devant être intégré appliqué aux bornes X et Y. De cette manière à n'importe quel moment le voltage appliqué à la grille de la premiè -re valve est la somme algébrique du voltage de la bobine et du voltage à travers RS.
En choisissant convenablement la fraction de l'énergie tota -le qui est ainsi fournie en retour, la différence entre les bornes A et B du circuit intégrateur peut être rendue égale à n'importe quel moment à la somme algébrique du voltage appliqué de la bobine à A, B, et du voltage intégré correspondant à celui-ci. En d'autres termes le potentiel à travers A, B est à tout moment accru par la différence potentiel o à travers le condensateur Cl, de sorte que l'effet de cette différence de potentiel c est annulé.
Il y a aussi un certain nombre d'effets secondaires dus aux imperfections des composantes qui ont un effet analogue à celui pro -duit par le voltage ± sur le voltage intégré. Le condensateur C1 doit être de bonne qualité, par exemple avec un diélectrique en mi- ca, mais même alors ses imperfections peuvent être apparentes dans le voltage intégré. De plus si le condensateur d'accouplement entre l'anode de la première valve et la borne A a un diélectrique en pa- pier, et si la résistance entre les bornes A' et B a une valeur trop basse, une déformation semblable du voltage intégré peut avoir lieu.
Ces déformations peuvent aussi être corrigées, au moins en grande partie, par un choix convenable du voltage d'alimentation en retour.
Dans une réalisation du circuit ci-dessus décrit, utilisant des valves offrant un facteur d'amplification effective de 20, les valeurs suivantes des composantes ont été trouvées satisfaisantes: Le condensateur C1 peut être de 0.1 microfarad,les résistances Rl et R2 de 1 megohm, la résistance R3 de 2. 500 ohms, et la résistance R4 de 10.000 ohms. Le condensateur C2, du circuit d'alimentation en re- tour, peut avoir une capacité de 25 microfarads et la résistance ent@ les bornes A et B peut être égale à 5 mégohms.
Le voltage obtenu des résistances R2 et R3 comme ci-dessus décrit a les dimensions de pression ou de déplacement si le voltage
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d'entrée a les dimensions de taux de changement de pression ou de vitesse. Le voltage ainsi obtenu peut être soumis à un deuxième étage d'intégration au moyen d'un deuxième circuit semblable à celui décrit. Dans le cas particulier de l'indication de la pression dans un cylindre, le voltage résultant correspond à la pression effecti -ve moyenne.
Afin d'obtenir la base correcte en fonction du dépla- oement du piston, quelques moyens convenables connus du genre méca- nique ou électrique peuvent être utilisés pour court-circuiter le deuxième circuit intégrateur quand le schéma a été complété pour le oycle examiné,et pour inverser le sens du voltage appliqué aux bor- nes d'entrée du circuit intégrateur exactement au centre du point mort.
De plus si un seul étage intégrateur est utilisé pour obte- nir d'un voltage (par exemple développé par un cristal pièzo-éleotri -quel proportionnel à la pression dans le cylindre, un voltage pro- portionnel à la pression effective moyenne, des moyens mécaniques ou électriques pour dériver ou pour court-circuiter la charge sur le cm -densateur C1 peuvent être provoqués pour agir entre les cycles suc- cessifs de la machine ou à d'autres intervalles voulus.
A la place du circuit intégrateur élémentaire montré figure 2 entre les bornes A, B et C,D, on peut utiliser le circuit électrique -ment équivalent montré figure 3 oû la résistance R1 est remplacée par une inductance Ll, et le condensateur C1 est remplacé par la ré- sistance R5. D'autres circuits intégrateurs plus complexes peuvent aussi être établis.
Quand on veut utiliser la présente invention dans un cas de différentiation,le circuit intégrateur élémentaire de la figure 2 doit être remplacé par l'un ou l'autre des circuits différentiateurs élémentaires montrés figures 4 et 5. Le circuit de la figure 4 com- prend une résistance série R6 et une inductance shunt L2,tandis que le circuit de la figure 5 comprend un oondensateur série C3 et une résistance shunt R7. Dans le cas oû le circuit de la figure 4 eet em -ployé dans l'arrangement de la figure 2, l'alimentation en retour à
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travers le condensateur C2 sert à compenser le voltage e à tra- vers l'inductance L2. Dès lors le courant i à travers la résistance R6, en réponse au voltage v appliqué aux bornes A, B, est représen- té par i = v/R6.
En supposant qu'aucun courant ne passe entre les bornes C, D, le potentiel c; à travers l'inductance L2, sera égal à L2 di qui est aussi égal à L2 . dv de sorte que le voltage de dt R6 dt l'énergie fournie représentera exactement la différentielle du voltage d'arrivée.
Afin de stabiliser le circuit différentiateur, une inductance peut être placée en série entre le condensateur 02 et la borne supé- rieure de la résistance R4. Le condensateur C2 est de grande capaci- té, de sorte que son impédance est relativement négligeable. Ainsi en réalité, le condensateur C2 est, dans le cas du circuit différen -tiateur, remplacé par une inductance. L'atténuation des hautes fré -quences dans le circuit d'alimentation en retour est beaucoup plus grande que celle des basses fréquences,'et dans le circuit différen- tiateur élémentaire l'atténuation aux basses fréquences est beaucoup plus grande que celle aux hautes fréquences. L'arrangement peut donc: être rendu stable.
La possibilité de résonance perturbatrice se pro -duisant entre le condensateur et l'inductance du circuit d'alimenta -tion en retour peut être évitée en rendant le condensateur de capa- cité suffisamment grand pour que la fréquence de résonance soit très basse.
Dans le cas particulier, envisagé ci-dessus,le condensateur Cl du circuit intégrateur peut être remplacé par une inductance L2 de 200 henrys, qui doit de préférence être du type d'inductance cons- tante avec un entrefer dans le circuit magnétique,et doit avoir une résistance qui n'excède pas 1000 ohms.
Il est évident que l'invention peut être utilisée avec d'au- tres formes de dispositifs que ceux décrits ,et peut servir à indi- quer d'autres quantités variables. Par exemple: en plus des mesures des pressions dans des cylindres ou dans des lignes d'alimentation de combustibles, au moyen d'un diaphragme flexible ou de section
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d'ampoules convenables, elle peut aussi servir à la mesure du mouve -ment réel d'une partie mobile, telle qu'une valve d'extrémité, cette partie, ou une extension magnétique d'elle,agissant d'une manière semblable à celle du diaphragme précédemment décrit.
Elle peut de plus s'appliquer à l'examen de la vibration re- lative, ou autre déplacement, entre deux corps pour indiquer des changements dans l'épaisseur sur la longueur des parties en mouve- ment, comme par exemple des fils textiles ou des fils métalliques, ainsi que pour d'autres buts. Sous son aspect général, l'invention est applicable à n'importe quel cas oû des variations ayant une for -me d'onde, qui est l'intégrale ou la différentielle de variations données, se produisent. De plus le voltage intégré obtenu peut être utilisé d'une manière quelconque, par exemple pour fournir un dia- gramme visuel ou pour produire un enregistrement sur une surface photo-sensible. Pour beaucoup de cas un oscillographe à rayons catho -diques constitue un dispositif convenable pour le but proposé.
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BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY ELECTRICAL CIRCUITS ALLOWING THE INTEGRATION AND DIFFERENTIATION OF ELECTRICAL VARIATIONS.
The invention relates to apparatuses for converting electrical variations of a given waveform into electrical variations which are a function derived from the former, i.e., the invention relates to electrical variations. apparatus for converting electrical variations into other variations which are a differentiation from the former, and for carrying out an inverse conversion,
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that is to say an integration.
The means of integration and; of differentiation are such that they can be used in connection with the electrical indication of pressures in the cylinder of an engine, as well as with other variations, such as the movements of a valve, the pressure changes in a fuel supply line, and the vibrations of motors or other similar mechanisms.
There are a number of well known methods of indicating and measuring such variations by converting them to electrical variations and then using these electrical vibrations to operate an oscillograph which gives a visual or photographic indication of the movements or changes. Thus, for example in the case of pressures in the cylinder of an engine, a diaphragm may be arranged to be actuated in accordance with the pressure of this cylinder, and the movements of the diaphragm may be converted into electrical variations by electromagnetic devices. or other similar devices.
In some cases, the electrical variations can be transmitted directly to the oscillograph (after amplification if necessary), since the indication must have the same dimensions as the voltage derived from the indicator. An example of this is the case of a piezoelectric crystal arranged to be influenced by the gas pressure of a machine cylinder, the difference in potential developed across the crystal being proportional to the pressure. - -sion of gas. So if an indication of this pressure is sought, the voltages obtained in this way can be applied without modification to an oscillograph. The same is true of changes in voltage or current obtained from other devices such as carbon batteries.
In other cases it is desired to indicate a quantity having different magnitudes of collas of the voltage derived. For example, if a diagram, influenced by the pressure exerted in a machine, moves relatively to an electromagnet, as in a remote receiver.
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-phonic, and if the air gap between the armature and the electromagnet cannot be made very small, the voltage developed across the coils of the electromagnet is proportional to the value of the change of position ( ie the speed) of the diaphragm, and consequently the value of the pressure change. Therefore, if it is desired to indicate the pressure in the machine, the voltage derived from the coils of the electromagnet must be integrated with respect to time.
In addition, when using a piezoelectric type device, it may be desirable to indicate the dimensions of the mean effective pressure, or of the mechanical energy, and here again an integration of the obtained voltage is necessary.
In other cases it may be that we are looking to obtain a voltage wave which has a shape which is the differential of another given waveform. An example of this kind may be found when one wishes to indicate the movements of a body in the form of speed, and if the sensing unit which is the device, responding to the movements, gives a voltage proportional to the movement of the body. . Such a device can for example be of the piezoelectric or carbon cell type.
The main object of the present invention is to provide means which can be used with indicating devices such as those mentioned above, and by which one can derive from a given wave of voltage a wave which is practically the integration or the integration. actual differentiation of the given wave.
For this purpose, an apparatus has been provided for producing electrical variations having a waveform which is an integration or a differentiation of the waveform of given electrical variations, said apparatus comprising an elementary circuit d. integration or differentiation, means for applying voltages to be integrated or differentiated from a device, responding to said variations at the input terminals of said circuit, and means for providing output terminals of said circuit to its input terminals a compensating voltage which is
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in such a phase relationship and amplitude that electrical variations will be provided at the output terminals having a waveform which is a substantially true integration or differentiation of the given waveform.
Preferably, a thermo-ionic valve is arranged on the input and output terminals of the elementary integration or differentiation circuit, and the return feed takes place from the anode circuit of the last valve to the gate circuit of the first valve.
The invention will be described by means of examples shown in the figures of the accompanying drawing. In this drawing: FIG. 1 gives an explanatory diagram; Figure 2 shows the circuit diagram of one of the embodiments of the invention; FIG. 3 relates to a modified integrator circuit which can be substituted for that of FIG. 2; Figures 4 and 5 show differentiating circuits which can be used in place of the integrating circuit of Figure 1. In each of these figures the same reference numerals designate like parts of the circuits.
It is known that the value of the change in pressure or the value of the change in a position (or velocity) of a body is proportional to the voltage supplied by a device such as a telephone receiver mentioned above. , and can be expressed mathematically by dP # dt = kv. where P is the pressure or displacement at any time t, while v is the voltage and k a constant.
The pressure or displacement at any time t is then given by the following equation:
P = K # vdt + kl where kl is an arbitrary constant.
The integration required by this second equation can be carried out theoretically on a waveform having a potential v varying with time, by applying the voltage v to the input terminals A, B of an artificial network comprising a resistor Rl and a
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capacitor Cl connected between the input terminals A, B and the output terminals C, D, as shown in figure 1. If the potential e, applied through the capacitor C1, can at any time be neglected vis- with respect to v, then the potential difference across resistor R1 will also be v.
A current i will therefore flow through resistor R1 or at any time i = v / R1 If no current is taken from the output terminals C, D, the potential e will be at any time equal to # @ From when c = 1 / R1C1 # vdt In other words, the potential o is the integrated value of the potential v and is proportional to P as required.
Now in practice it is difficult to arrange the values C1 and Rl so that the value of ± is always so small that it can be neglected with respect to V. One of the obvious reasons is that it is the value of ± which must be recorded or otherwise used to operate an oscillograph, and the preceding condition is equivalent to a reduction in sensitivity to a negligibly small value.
So in order that the integrating device can be usefully used, it is necessary to arrange the circuit so that the maximum potential difference across the capacitor C1 reaches a value which is a practical fraction of the potential v, or 10% of the maximum value. In this case the voltage which causes the current to flow aans the capacitor Cl through the resistor R1 is no longer exactly equal to v, and o is no longer a real integral of v.
The arrangement shown in Figure 1 is an example of what is referred to in this specification as an elementary integrator circuit. It can only achieve real integration in circumstances which are difficult, if not impossible, to establish in practice.
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Taking as an example of the effect produced by the practical use of the circuit of figure 1, the voltage which can be developed through an electromagnetic coil cooperating with a diaphragm influenced by the pressure exerted in the cylinder of a Diesel machine, during a cycle, this voltage will be found rising to a maximum positive peak just beyond the center of the neutral point, to fall very rapidly through the zero point towards a negative maximum lower, then gradually return to zero.
If this voltage is applied to the elementary integrator circuit described above, the output voltage starts from zero, rises to a lesser ma-maximum value than it should, and instead of returning to zero at the end of the cycle. cycle, remains below zero at any negative value.
In Fig. 2 there is shown a form of circuit according to the present invention, and whereby the above-mentioned difficulty can be avoided or at least greatly reduced so that substantially exact integration can be obtained.
According to Figure 2, coil 5, or other voltage source to be integrated, is connected between input terminals X and Y.
Terminal X is connected to the gate of a triode valve V1 whose anode is connected through a resistor 1 to a suitable source of current. This same anode is connected through a capacitor 2 to an input terminal A of an elementary integrator circuit of the type shown in figure 1. A resistor 3 is interposed between the input terminals A and B. The terminals B and D are connected to earth through a source 4 supplying the plate voltage.
Terminal C is connected to the grid of a second valve V2, the cathode of which is connected to the cathode of valve 71 and to earth.
The anode of the valve V2 receives the desired potential from a suitable source through a resistor 6, and is connected to earth through a capacitor 3 and two resistors R2 and R3. A bias source if needed for a last amplifier stage can be inserted between resistor R3 and earth.
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The junction point of resistors R2 and R3 is connected to the input terminal Y through a capacitor C2. In this way a part of the difference in output potential, developed through resistors R2 and R3, that is to say that developed through resistor R3, is supplied through capacitor 02 to the gate of the first. valve. The value of the return feed can be adjusted by varying the relative values of R2 and R3. For this purpose, if desired, R3 and part of R2 can be arranged as an adjustable potential divider. . It should be noted that the return supply voltage is applied to the gate-cathode circuit of valve V1 effectively in series with the voltage of coil 5.
Although satisfactory results can be obtained with the circuit as described, amplifier instability can occur if the return supply is set to a value such as complete correction of the errors of the elementary integrator circuit. is obtained. To prevent this, a resistor R4 is connected in series with a gate bias source 8 between terminal Y and earth. The combination of G2 and resistor R4 acts somewhat like a high pass filter section.
Thus at high frequencies the impedance of C2 is negligible compared with resistor R4, so that resistors R4 and R3 are effectively in parallel, while at very low frequencies the impedance of '02 is very high compared to resistance R4, so that at very low frequencies the voltages undergo a large attenuation and also, of course, a phase shift of 90. Since the elementary integrating circuit produces a greater attenuation of the higher frequencies, the whole can in this way be made stable.
It should be noted that since coils C and D are connected across the gate circuit of the second valve, virtually no current is taken from these terminals. The direction of the voltage of the supply current, as described, is such that it adds to the voltage v
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to be integrated applied to terminals X and Y. In this way at any time the voltage applied to the gate of the first valve is the algebraic sum of the coil voltage and the voltage across RS.
By suitably choosing the fraction of the total energy which is thus supplied in return, the difference between the terminals A and B of the integrator circuit can be made equal at any time to the algebraic sum of the applied voltage of the coil to A, B, and the integrated voltage corresponding to it. In other words the potential across A, B is at all times increased by the potential difference o across the capacitor C1, so that the effect of this potential difference c is canceled.
There are also a number of side effects due to component imperfections which have an effect analogous to that produced by voltage ± on the integrated voltage. Capacitor C1 should be of good quality, for example with a mica dielectric, but even then its imperfections may be apparent in the integrated voltage. Furthermore, if the coupling capacitor between the anode of the first valve and terminal A has a paper dielectric, and if the resistance between terminals A 'and B is too low, a similar deformation of the voltage integrated can take place.
These deformations can also be corrected, at least in large part, by a suitable choice of the return supply voltage.
In an embodiment of the circuit described above, using valves offering an effective amplification factor of 20, the following component values have been found satisfactory: The capacitor C1 can be 0.1 microfarad, the resistors R1 and R2 can be 1 megohm , resistor R3 of 2,500 ohms, and resistor R4 of 10,000 ohms. The capacitor C2, of the feedback feed circuit, can have a capacity of 25 microfarads and the resistance between terminals A and B can be 5 megohms.
The voltage obtained from resistors R2 and R3 as described above has the dimensions of pressure or displacement if the voltage
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input has the dimensions of rate of change of pressure or velocity. The voltage thus obtained can be subjected to a second integration stage by means of a second circuit similar to that described. In the particular case of indicating the pressure in a cylinder, the resulting voltage corresponds to the average effective pressure.
In order to obtain the correct base according to the displacement of the piston, some suitable means known of the mechanical or electrical type can be used to bypass the second integrator circuit when the diagram has been completed for the loop examined, and to reverse the direction of the voltage applied to the input terminals of the integrator circuit exactly at the center of neutral.
Moreover if a single integrating stage is used to obtain a voltage (for example developed by a piezoelectric crystal proportional to the pressure in the cylinder, a voltage proportional to the average effective pressure, means mechanical or electrical to bypass or short-circuit the load on the cm-capacitor C1 can be caused to act between successive machine cycles or at other desired intervals.
Instead of the elementary integrator circuit shown in figure 2 between terminals A, B and C, D, we can use the electrically equivalent circuit shown in figure 3 where the resistor R1 is replaced by an inductance Ll, and the capacitor C1 is replaced by resistance R5. Other more complex integrator circuits can also be established.
When it is desired to use the present invention in a case of differentiation, the elementary integrator circuit of FIG. 2 must be replaced by one or the other of the elementary differentiating circuits shown in FIGS. 4 and 5. The circuit of FIG. 4 compares takes a series resistor R6 and a shunt inductor L2, while the circuit in figure 5 includes a series capacitor C3 and a shunt resistor R7. In the case where the circuit of FIG. 4 is used in the arrangement of FIG. 2, the feed back to
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through capacitor C2 is used to compensate for voltage e through inductor L2. Hence the current i through resistor R6, in response to the voltage v applied to terminals A, B, is represented by i = v / R6.
Assuming that no current passes between the terminals C, D, the potential c; through the inductor L2, will be equal to L2 di which is also equal to L2. dv so that the voltage of dt R6 dt the supplied energy will exactly represent the differential of the incoming voltage.
In order to stabilize the differentiator circuit, an inductor can be placed in series between capacitor 02 and the upper terminal of resistor R4. Capacitor C2 has a large capacity, so its impedance is relatively negligible. Thus in reality, the capacitor C2 is, in the case of the differentiator circuit, replaced by an inductor. The attenuation of high frequencies in the return feed circuit is much greater than that of low frequencies, and in the elementary differentiator circuit the attenuation at low frequencies is much greater than that at high frequencies. . The arrangement can therefore: be made stable.
The possibility of disturbing resonance occurring between the capacitor and the inductance of the feedback circuit can be avoided by making the capacitor capacitor large enough that the resonant frequency is very low.
In the particular case, considered above, the capacitor C1 of the integrator circuit can be replaced by an inductor L2 of 200 henrys, which should preferably be of the constant inductance type with an air gap in the magnetic circuit, and should have a resistance that does not exceed 1000 ohms.
It is obvious that the invention can be used with other forms of devices than those described, and can be used to indicate other variable amounts. For example: in addition to measurements of pressures in cylinders or in fuel supply lines, by means of a flexible or sectional diaphragm
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suitable bulbs, it can also be used to measure the actual movement of a moving part, such as an end valve, that part, or a magnetic extension of it, acting in a manner similar to that of the diaphragm previously described.
It can furthermore be applied to the examination of the relative vibration, or other displacement, between two bodies to indicate changes in thickness along the length of the moving parts, such as for example textile yarns or wire, as well as for other purposes. In its general aspect, the invention is applicable to any case where variations having a waveform, which is the integral or the differential of given variations, occur. In addition, the integrated voltage obtained can be used in any way, for example to provide a visual diagram or to produce a recording on a photosensitive surface. In many cases a cathode ray oscillograph is a suitable device for the proposed purpose.