DD228645A1 - Schaltungsanordnung zur erfassung des aenderungsbetrages eines elektrischen messsignals waehrend vorgegebener zeitintervalle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erfassung des Aenderungsbetrages eines elektrischen Messsignales waehrend vorgegebener Zeitintervalle. Sie hat das Ziel, die Erfassung zu automatisieren und die Messgenauigkeit zu erhoehen. Ihr lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die den Aenderungsbetrag einer Messgroesse zwischen dem Anfangs- und Endwert eines Zeitintervalls selbsttaetig erfasst und bereitstellt. Erfindungsgemaess sind zwischen dem Eingangsverstaerker und der Ausgabeeinrichtung hintereinander ein Impedanzwandler, eine zu diesem eingangsseitig parallele Pruef- und Halteschaltung, ein Differenzverstaerker und ein gesteuerter Spitzenwertdetektor geschaltet. Der Steuereingang der Pruef- und Halteschaltung ist ueber ein Verzoegerungsnetzwerk mit dem Ausgang eines Komparators verbunden, dessen Eingaenge mit einem Steuersignal und einer Referenzspannung belegt sind. Der Spitzenwertdetektor schliesst eine elektronische Schaltstufe ein, die eingangsseitig an einen mit dem Steuersignal beauflagten Impulsdehner angeschlossen ist. Fig. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Erfassung nichtelektrischer Meßgrößen unter den Bedingungen dynamischer Prozesse, driftender Übertragungseigenschaften der Meßwertgeber oder sich ändernder Hilfsenergien oder Umwelteinflüsse. Beispiele hierfür sind die indirekte Erfassung von CO₂-Partialdrücken in Gasgemischen bzw. in Lösungen oder von Harnstoffkonzentrationen in Flüssigkeitsgemischen über durch sie verursachte pH-Änderungen in einem chemischen Medium mit Hilfe chemoelektrischer pH-Meßketten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei den genannten pH-Messungen finden an den Meßwandlern Membranprozesse und im umgebenden Medium auch Mischprozesse statt, deren Verlauf, Beginn und Ende bei Wiederholung nicht genau reproduzierbar sind. Bei bekannten Meßeinrichtungen mit dynamischen Prozessen und zeitgesteuerten Messungen können die Meßwerte nachträglich aus dem registrierten zeitlichen Verlauf entnommen oder von einer Anzeigeeinrichtung abgelesen und zwecks späterer rechnerischer Auswertung notiert werden. Eine direkte Erfassung und Verarbeitung der einzelnen Meßwerte mit Digitalrechnern ist zwar möglich, aber sehr aufwendig (Programme zur relativen Maximaerkennung, Meßwertselektion, Speicherung usw.)

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung war es, die Erfassung von Meßgrößen unter sich ändernden Bedingungen, insbesondere bei dynamischen Prozessen mit geringem Aufwand zu automatisieren und die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die den Änderungsbetrag einer Meßgröße zwischen dem Anfangswert und dem höchsten bzw. Endwert eines Zeitintervalls erfaßt und für die Anzeige oder den Abruf durch einen Rechner bereitstellt.

Die Lösung dieser Aufgabe schließt als bekannte Elemente einen dem Meßfühler nachgeschalteten Eingangsverstärker mit einstellbarer Bezugsspannung und eine Ausgabeeinrichtung für den zeitintervallspezifischen Änderungsbetrag ein.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen:

Zwischen dem Eingangsverstärker und der Ausgabeeinrichtung sind hintereinander ein Impedanzwandler, eine zu diesem eingangsseitig parallele Prüf- und Halteschaltung, ein Differenzverstärker und ein gesteuerter Spitzenwertdetektor geschaltet.

Der Steuereingang der Prüf- und Halteschaltung ist über ein Verzögerungsnetzwerk mit dem Ausgang eines Komparators verbunden, dessen Eingänge mit einem Steuersignal und einer Referenzspannung belegt sind.

Der Spitzenwertdetektor schließt eine elektronische Schaltstufe ein, die eingangsseitig an einen mit dem Steuersignal beauflagten Impulsdehner angeschlossen ist.

Zweckmäßige Ausführungen dieser Merkmale werden im nachstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben.

Ausführungsbeispiel

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Figur 1: ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung

Figur 2: das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung

Figur 3: das Diagramm charakteristischer Zeitverläufe

Die Schaltungsanordnung ist im Prinzipaufbau (Figur 1) eine Serienschaltung aus einem Eingangsverstärker 1, einem Impedanzwandler 2, einer eingangsseitig zu diesem parallel angeordneten Prüf- und Halteschaltung 3, einem Differenzverstärker 4, einem gesteuerten Spitzenwertdetektor 5 und einer Anzeigeeinrichtung 6 als Ausgabeeinrichtung. Der Steuereingang 21 der Prüf- und Halteschaltung 3 ist mit dem Ausgang eines Komparators 7 über ein Verzögerungsnetzwerk 8 verbunden. Der

Steuereingang 30 des Spitzenwertdetektors 5 besitzt als Vorstufe einen Impulsdehner 9. Einer der beiden Eingänge des Eingangsverstärkers 1 ist an eine Bezugsspannungsquelle 11 angeschlossen. Dem Eingangsverstärker 1 sind im Ausführungsbeispiel (Fig.2) ein nicht dargestellter Meßwertgeber, z. B. eine Harnstoff-Meßzelle mit enzymbeschichteter pH-Elektrode, und ein Impedanzwandler 12 vorgeschaltet. Letzterer ist ein gegengekoppelter Operationsverstärker. Der Eingangsverstärker 1 ist ein als Differenzverstärker geschalteter Operationsverstärker 13 mit einem RC-Rückkopplungszweig zwischen Ausgang und invertierendem Eingang. Die Bezugsspannung liegt über einen Spannungsteiler an dem nichtinvertierenden Eingang. Sie wird in der Bezugsspannungsquelle 11 gebildet, die einen zwischen Plus- und Minuspol einer stabilisierten Gleichspannungsquelle geschalteten Spannungsteiler mit eingeengtem Einstellbereich dargestellt und aus zwei Vorwiderständen 14; 15 sowie einem Potentiometer 16 aufgebaut ist. Als Impedanzwandler 2 ist ein entsprechend geschalteter Operationsverstärker vorgesehen. Die Prüf- und Halteschaltung 3 setzt sich aus einem Feldeffekttransistor 17, einem Haltekondensator 18 und einem als Impedanzwandler 19 ausgeführten Operationsverstärker gleicher Dimensionierung wie der des Impedanzwandlers 2 zusammen. Die Quelle S des Transistors 17 ist ebenso wie der nichtinvertierende Eingang des Impedanzwandlers 2 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 13 verbunden. Die Senke D ist an den nichtinvertierenden Eingang des Impedanzwandlers 19 geführt, der auch mit dem Haltekondensator 18 verknüpft ist. Das Tor G ist über einen Widerstand 20 mit dem Steuereingang 21 und dieser über eine Diode 22 mit dem Ausgang des Komparators 7 verbunden. Der Widerstand 20 bildet zusammen mit dem Kondensator 24 einen Tiefpaß für die Impulsvorderflanke des Steuersignals U_st. Der Kondensator 24 liegt zwischen Tor G und Masse. Er gehört zusammen mit dem Widerstand 23 zwischen Quelle S und Tor G des Feldeffekttransistors 17 zu dem Verzögerungsnetzwerk. Wichtiges Element des Komparators 7 ist ein Operationsverstärker 25, an dessen nichtinvertierenden Eingang ein Spannungsteiler aus einem Widerstand 26 und einem Diodenpaar 27 anliegt. An seinem invertierenden Eingang liegt das Steuersignal U_st an. Das Steuersignal U_st liegt gleichzeitig am Eingang 28 des Impulsdehners 9 an, eines in integrierter Schaltkreistechnik ausgeführten Monoflops mit zeitbestimmender RC-Kombination als Beschaltung. Der Ausgang 29 des Impulsdehners 9 ist an den Eingang 30 der Schaltstufe 10 geführt. Letztere besteht aus einer Hintereinanderschaltung eines bipolaren Transistors 31 in Basis-Schaltung und eines Feldeffekttransistors 32 in Source-Schaltung. Zwischen Emitter des Transistors 31 und Eingang 30 liegt ein Widerstand 33, zwischen Tor G des Transistors 32 und der negativen Betriebsspannung ist ein Widerstand 34 angeordnet. Die Senke D ist über einen Widerstand 35 an den Eingang 36 des Impedanzwandlers 38 angeschlossen. Der Spitzenwertdetektor 5 enthält neben der Schaltstufe 10 einen Operationsverstärker 37, einen ihm folgenden Impedanzwandler 38, eine zwischen ihnen eingefügte Diode 39 und Widerstand 40 und eine zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Impedanzwandlers 38 und Masse angeordnete Kombination eines Widerstandes 41 und eines Speicherkondensators 42. Der Impedanzwandler 38 ist ebenfalls aus einem Operationsverstärker aufgebaut. Der Ausgang des Impedanzwandlers 38 ist über einen Widerstand 43 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 37 rückgekoppelt, dessen Ausgang über eine Diode 44 an den genannten Eingang rückgekoppelt ist. Der andere, nichtinvertierende Eingang ist über einen Widerstand 45 an den Meßsignaleingang 46 des Spitzenwertdetektors 5 geführt, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 4 in Verbindung steht. Der Ausgang des Impedanzwandlers 38 ist über einen Widerstand 47 und die Anzeigeeinrichtung 6 an Masse gelegt.

Die beschriebene Schaltungsanordnung besitzt folgende Funktionsweise:

Im Ruhezustand liegt am Eingang des Impedanzwandlers 12 die analoge Meßspannung U_E vom Ausgang des Meßwertgebers an. Diese variable Gleichspannung'kann z. B. an einer pH-Elektroden-Meßkette erzeugt werden und sich nach Auslösung zum Zeitpunkt t_o des Meßvorganges in einer bestimmten Richtung stetig, kontinuierlich oder sprunghaft ändern. Hierbei wurde vorausgesetzt, daß der Meßvorgang vor t_o durch Beschicken der pH-Meßzelle mit der zu messenden Flüssigkeit eingeleitet und nach t, durch Spülen der Meßzelle beendet wird. Damit der Betrag und eventuell auch das Vorzeichen (Polarität) der absoluten Grund- oder Ruhespannun des Meßwertgebers kompensiert werden kann (z. B. Asymmetriepotential einer pH-Meßkette), wird mit dem Potentiometer 16 eine Bezugsspannung an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 13 gelegt, so daß im Ruhezustand dessen Ausgangsspannung Null ist oder von solcher Größe und Polarität, daß die beim Meßvorgang zu erwartende Spannungsänderung keinen Nulldurchgang bzw. keine Polaritätsänderung hervorrufen kann. Im Ruhezustand ist der im Signaleingang des Impedanzwandlers 19 gelegene Feldeffekttransistor 17 auf Grund der positiven Ausgangspannung des Komparators 7 geschlossen, so daß die Impedanzwandler 2 und 19 das gleiche Eingangspotential und die gleiche Ausgangsspannung aufweisen. Dadurch liegt auch die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 immer bei Null, auch dann, wenn sich die Eingangsspannung U_E ändert oder durch Störungen überlagert ist. Der Spitzenwertdetektor 5 hat ebenfalls Nullpotential an allen Ausgängen, so daß die Anzeigeeinrichtung 6, Null anzeigt. Mit der Auslösung des eigentlichen Meßvorganges wird ein synchrones Zeitsignal U_St an den Eingang des Komparators 7 und des Eingangs 28 des Impulsdehners 9 gelegt, ein positiver Sprung im TTL-Pegel. Dieser hat eine negative Flanke am Komparatorausgang zur Folge, wodurch die S-D-Strecke des Feldeffekttransistors 17 hochohmig wird. Am Eingang des Impedanzwandlers 19 liegt die Spannung des Haltekondensators 18 an, die dem Meßspannungswert U_E zu Beginn t₀ des Meßvorganges entspricht. Der Widerstand 20 verhindert in Verbindung mit dem Kondensator 24 die Einkopplung eines Impulses über die Gate-Kanal-Kapazität in den S-D-Kanal durch die an sich sprunghafte Änderung der Steuerspannung (Vergrößerung der Anstiegs- bzw. Abfallzeit durch einen Tiefpaß).

Der Ausgang des Impedanzwandlers 2 folgt der Eingangsspannung U_E im weiteren Verlauf des Meßvorganges, so daß an den Eingängen des Differenzverstärkers 4 immer die aktuelle Differenz zwischen momentanem Meßwert U_E und Bezugswert zum Zeitpunkt t₀ anliegt. Der entsprechende Verlauf der Ausgangsspannung U_D repräsentiert in Richtung und Größe den im Meßwertgeber ablaufenden Meßvorgang und führt zur Aufladung des Speicherkondensators 42 auf einen möglicherweise vorkommenden Extremwert bzw. bei extremwertlosem Verlauf auf den höchsten Endwert zur Zeit t_v Dieser wird gespeichert und unbhängig.vom weiteren Verlauf der Spannungsdifferenz U_D von der Anzeigeeinrichtung 6 angezeigt — bis zum Ende t-, des Meßvorganges. Die abfallende Flanke des Zeitsignals U_st bewirkt die Rückstellung der Prüf- und Halteschaltung 3 von Halten auf Prüfen und über den Impulsdehner 9 und die Schaltstufe 10 die kurzzeitige Entladung des Speicherkondensators 42 auf Null. Dabei wird die Rückstellung über den Zeitpunkt t₂ der Entladung hinaus verzögert. Sie erfolgt zum Zeitpunkt t₃. Die Verzögerung wird folgendermaßen erreicht:

In der Haltephase t₀ bist! muß die Gate-Spannung des Feldeffekttransistors 17 um die Schwellspannung negativer sein als die am Ausgang des Operationsverstärkers 13 vorkommende Meßspannung U_E, damit er gesperrt ist. Diese negative Spannung, die nahe der negativen Betriebsspannung liegt, liefert der Komparator 7, solange das Zeitsignal Us_t an seinem Eingang liegt.

Auf diese Gate-Spannung hat sich während der Haltephase der Kondensator 24 aufgeladen. Zum Zeitpunkt t, beginnt die Entladung des Speicherkondensators 42. Sie endet zum Zeitpunkt t₂ des im Impulsdehner erzeugten Impulses U| (ca. 14 ms). Der Kondensator 24 entlädt sich über den Widerstand 23 mit einer Zeitkonstanten, die mit Sicherheit so bemessen ist, daß der Transistor 17 erst leitend wird, wenn die Kurzschlußentladung des Speicherkondensators 42 beendet ist (ca.30 ms). Dadurch wird der Speicherkondensator 42 bei Öffnung des Transistors 32 sehr schnell auf die Spannung wieder aufgeladen, die zu diesem Zeitpunkt t₂ noch am Ausgang des als Einweggleichrichter beschalteten Operationsverstärkers 37 anliegt. Welche Spannung U_c zu diesem Zeitpunkt anliegt, hängt vom Verlauf der Meßspannung U_E ab. Bleibt der Spitzenwert bis zur Beendigung t, des Meßvorganges erhalten (bei der am meisten interessierenden Anwendung wird er sogar erst dann erreicht), so bleibt auch dessen Differenz U_D zum ursprünglichen Bezugswert am Ausgang des Differenzverstärkers 4 erhalten. Der Speicherkondensator 42 lädt sich augenblicklich wieder auf, so daß der Spitzenwert praktisch erhalten bleibt (Fig.3a, b). Hat sich die Meßspannung U_E bei Beendigung t, des Meßvorganges vermindert, ist die Differenz U₀ der verminderten Meßspannung U_Ezum Bezugswert bestimmend für die Wiederaufladung (Fig. 3d). Ist die Meßspannung U_E auf den ursprünglichen Bezugswert zurückgegangen, wird die Ausgangsspannung U₀ des Differenzverstärkers 4 Null. Der Speicherkondensator 42 bleibt dann auf Nullpotential.

Bei regelmäßigem Ablauf der Meßfolge in nicht zu großen Zeitabständen bleiben die Spanung U_c am Speicherkondensator sowie der angezeigte Meßwert solange erhalten, bis der neue Wert des nächstfolgenden Meßvorganges bereitsteht und übernommen wird. Wenn die neue Meßspannung unterhalb der im vorangegangenen Meßvorgang bleibt, bleibt letztere sogar bis zur Entladung erhalten. Erst dann wird die aktuelle Differenz Ü_D in den Speicherkondensator 42 überführt (Fig.3c). Ohne Diode 39 folgt die Ladespannung U_c stets dem momentanen Wert der Spannungsdifferenz U₀ am Ausgang des Differenzverstärkers 4. In diesem Fall wird kein Extremwert gehalten und auch keine Polarität der Meßspannung U_E unterdrückt. In den Pausen zwischen den Messungen würde sich auch bei verzögerter Rückstellung der Prüf- und Halteschaltung 3 der Wert Null einstellen. Die Polarität der auszuwertenden Spannungsänderung U₀ kann durch Umpolung der Dioden 39,44 beliebig gewählt werden.

Claims (5)

1. Erfindungsansprüche:

   1. Schaltungsanordnung zur Erfassung des Änderungsbetrages eines elektrischen Meßsignales während vorgegebener Zeitintervalle mit einem Eingangsverstärker mit einstellbarer Bezugsspannung und einer Ausgabeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingangsverstärker (1) und der Ausgabeeinrichtung (6) hintereinander ein Impedanzwandler (2), eine zu ihm eingangsseitig parallele Prüf- und Halteschaltung (3), ein Differenzverstärker (4) und ein gesteuerter Spitzenwertdetektor (5) angeordnet sind, der Steuereingang (21) der Prüf- und Halteschaltung (3) über ein Verzögerungsnetzwerk (8) mit dem Ausgang eines Komparators (7) in Verbindung steht, dessen Eingänge mit einem Steuersignal (U_st) und einer Referenzspannung belegt sind, und der Spitzenwertdetektor (5) eine elektronische Schaltstufe (10) einschließt, die eingangsseitig an einen mit dem Steuersignal (U_st) beauflagten Impulsdehner (9) angeschlossen ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf- und Halteschaltung (3) aus einem Feldeffekttransistor (17), einem Haltekondensator (18) und einem Impedanzwandler (19) gleicher Dimensionierung wie der im Parallelzweig zusammengesetzt ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsnetzwerk (8) aus einem Kondensator (24) zwischen Tor (G) und Masse und einem Widerstand (23) zwischen Quelle (S) und Tor (G) des Feldeffekttransistors (17) aufgebaut ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (5) zusätzlich zu der Schaltstufe (10) aus einem als Einweggleichrichter beschalteten Operationsverstärker (37), einem nachgeordneten Impedanzwandler (38), einer zwischen ihnen eingefügten Diode (39) und einem Widerstand (40) und einem Speicherkondensator (42) zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Impedanzwandlers (38) und Masse zusammengesetzt ist und der Ausgang des Impedanzwandlers (38) über einen Widerstand (43) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (37) rückgekoppelt ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltstufe (10) aus einer Hintereinanderschaltung eines bipolaren Transistors (31) in Basis-Schaltung und eines Feldeffekttransistors (32) in Source-Schaltung besteht.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen