DE1220157B

DE1220157B - Device for measuring the mean value of an electrical voltage over time

Info

Publication number: DE1220157B
Application number: DEZ8348A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Masch Techn Ernst Felix
Original assignee: APP und MASCHINENFABRIKEN USTE; Zellweger Uster AG
Current assignee: APP und MASCHINENFABRIKEN USTE; Zellweger Uster AG
Priority date: 1960-04-08
Filing date: 1960-11-10
Publication date: 1966-06-30

Description

Vorrichtung zum Messen des zeitlichen Mittelwertes einer elektrischen Spannung Bei der Auswertung variabler, insbesondere statistischer Größen besteht vielfach das Bedürfnis, den Mittelwert dieser Größen möglichst genau zu bestimmen. Dementsprechend sind bereits Verfahren und Einrichtungen bekannt, die die variable Größe vorerst in eine äquivalente elektrische Größe umformen und auf elektrische Art den Mittelwert unter gewissen Einschränkungen oder näherungsweise bilden. Hierzu gehört beispielsweise ein Verfahren, bei welchem der Mittelwert gebildet wird, indem eine Integration über einen bestimmten Zeitabschnitt durchgeführt und durch Division des Integrals durch das Zeitintervall der Mittelwert rechnerisch gebildet wird. Der Mittelwert wird also indirekt erhalten.Device for measuring the time average of an electrical Voltage When evaluating variable, in particular statistical values, there is often the need to determine the mean value of these quantities as precisely as possible. Accordingly, methods and devices are already known that the variable First convert the variable into an equivalent electrical variable and then into electrical Art form the mean value with certain restrictions or approximately. For this includes, for example, a method in which the mean value is formed by an integration is carried out over a certain period of time and by division of the integral through the time interval the mean value is calculated arithmetically. The mean value is thus obtained indirectly.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur nähe rungsweisen, jedoch. direkten Mittelwertsbildung wird ein RC-Glied mit einer variablen Spannung gespeist, wobei nach einer gewissen Einschwingzeit der angenäherte Mittelwert am Ausgang des RC-Gliedes erhalten wird. Dieses Verfahren hat jedoch zufolge der exponentiellen Charakteristik des RC-Gliedes den Nachteil, daß die Meßwerte, die zeitlich betrachtet weiter zurückliegen, im Meßresultat nicht mehr voll zur Auswirkung kommen. Je länger die Funktionsdauer im Verhältnis zur Zeitkonstanten des RC-Gliedes ist, um sokleiner wird der Anteil der im Resultat noch enthaltenen Eingabewerte. Eine wesentliche Vergrößerung der Funktionsdauer bringt schließlich praktisch keinen Gewinn mehr bezüglich der statistischen Zuverlässigkeit des Meßergebnisses. In another known method of approximation, however. direct averaging, an RC element is fed with a variable voltage, after a certain settling time the approximate mean value at the output of the RC element is obtained. However, this procedure has exponential Characteristic of the RC element has the disadvantage that the measured values are viewed over time further back, no longer have their full effect on the measurement result. The longer the duration of the function in relation to the time constant of the RC element is so smaller becomes the proportion of the input values still contained in the result. An essential one Ultimately, increasing the duration of the function practically no longer brings any profit regarding the statistical reliability of the measurement result.

Demgemäß entspricht diese Zuverlässigkeit keinesfalls mehr der von der entsprechenden Funktionsdauer theoretisch erreichbaren statistischen Zuverlässigkeit.Accordingly, this reliability no longer corresponds to that of the statistical reliability theoretically achievable in relation to the corresponding service life.

Es ist auch bekannt, die Zeitkonstante des RC-Gliedes vorübergehend durch Betätigung beispielsweise eines Schalters von Hand zu erniedrigen, damit bereits nach kürzerer Zeit der Mittelwert wenigstens in grober Annäherung am Ausgang des RC-Gliedes erreicht wird. Dadurch kann die Einschwingzeit des RC-Gliedes verkürzt werden. Der Verlust an statistischer Zuverlässigkeit bei größerer Funktionsdauer bleibt jedoch bestehen. Diese manuelle Beeinflussung der Zeitkonstanten hat ferner den Nachteil, daß das Meßresultat zudem sehr stark von der Dauer der Einschaltung der kleineren Zeitkonstanten abhängt. It is also known that the time constant of the RC element is temporary by operating a switch by hand, for example, so that already after a shorter time the mean value at least roughly approximates the output of the RC element is achieved. This can shorten the settling time of the RC element will. The loss of statistical reliability with longer service life however remains. This manual influencing of the time constants also has the disadvantage that the measurement result also depends very much on the duration of the switch-on depends on the smaller time constant.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile und betrifft eine Vorrichtung zum Messen des zeitlichen Mittelwertes einer elektrischen Spannung an dem Kondensator eines RC-Gliedes, dessen Zeitkonstante während der Meßdauer verändert wird, und ist gekennzeichnet durch ein zu Beginn der Messung einschaltbares Zeitwerk zum stetigen oder quasistetigen Verstellen der Zeitkonstanten von einem Kleinstwert aus, so daß die Zeitkonstante, d. h. das Produkt R C entsprechend der seit Meßbeginn abgelaufenen Zeit selbsttätig vergrößert wird. The present invention overcomes and relates to these disadvantages a device for measuring the mean value of an electrical voltage over time at the capacitor of an RC element, the time constant of which changes during the measurement period and is indicated by a at the beginning of the measurement switchable timer for continuous or quasi-continuous adjustment of the time constant from a minimum value off so that the time constant, d. H. the product R C corresponds to that since the start of the measurement expired time is automatically increased.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung mit parallel zum Kondensator geschaltetem Verstärker ist dessen Verstärkungsgrad durch das Zeitwerk veränderbar. According to an expedient development of the device with parallel The amplifier connected to the capacitor is its gain by the timer changeable.

An Hand der nachfolgenden Beschreibung und der Figuren werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Dabei zeigt F i g. 1 eine variable Funktion Ut, F i g. 2 ein einfaches RC-Glied, Fig.3 den Spannungsverlauf an den Ausgangsklemmen eines einfachen RC-Gliedes, F i g. 4 ein RC-Glied mit variabler Zeitkonstante, Fig.5 den Spannungsverlauf an den Ausgangsklemmen eines RC-Gliedes mit variabler Zeitkonstante, F i g. 6 ein Prinzipschema einer Impedanzschaltung. Exemplary embodiments are provided on the basis of the following description and the figures the device according to the invention explained. F i g. 1 a variable Function Ut, F i g. 2 a simple RC element, FIG. 3 the voltage curve on the Output terminals of a simple RC element, FIG. 4 an RC element with variable Time constant, Fig. 5 shows the voltage curve at the output terminals of an RC element with variable time constant, FIG. 6 shows a basic diagram of an impedance circuit.

In F i g. 1 ist in Funktion der Zeit t eine variable Größe U (t) gezeigt, deren Mittelwert Ut über eine beliebig lange Zeitdauer t2-4 bestimmt werden soll. In Fig. 1 is a variable U (t) as a function of time t shown, whose mean value Ut can be determined over an arbitrarily long period of time t2-4 target.

Ein einfaches RC-Glied lO, 11 ist in Fig.2 gezeigt. Sein Eingang liegt an einem Generator 1, der die variable elektrische Größe U (t) erzeugt. Der Ausgang des RC-Gliedes ist mit einem Meßwerk 2 verbunden, das die an der Kapazität des RC-Gliedes auftretende Spannung U2 anzeigt. Dabei sei vorerst angenommen, daß der innere Widerstand des Instrumentes 2 unendlich groß und somit parallel zum Kondensator 11 kein Ableitwiderstand vorhanden sei. A simple RC element 10, 11 is shown in FIG. His entrance is due to a generator 1, which generates the variable electrical quantity U (t). Of the The output of the RC element is connected to a measuring unit 2, that the shows the voltage U2 occurring at the capacitance of the RC element. Let’s be for now assumed that the internal resistance of the instrument 2 is infinitely large and thus parallel to the capacitor 11 no bleeder resistor is present.

Die Ausgangsspannung U2 eines einfachen RC-Gliedes 10, 11 mit beliebiger Eingangsspannung Ul ergibt sich nach Auflösen der für ein solches RC-Glied gültigen differentialen Gleichung als (K = Integrationskonstante).The output voltage U2 of a simple RC element 10, 11 with any input voltage U1 results after solving the differential equation valid for such an RC element as (K = constant of integration).

Diese Spannung kann unter gewissen Einschränkungen, wie z. B. -Einschwingdauer, beschränkter Anteil der Eingabewerte im Schlußresultat, den näherungsweisen Mittelwert darstellen. Ein Beispiel eines solchen Spannungsverlaufs ist in Fig. 3 dargestellt. This voltage can under certain restrictions, such as. B. settling time, Limited share of the input values in the final result, the approximate mean value represent. An example of such a voltage curve is shown in FIG. 3.

Wird nun der Widerstand R variabel ausgeführt, und zwar so, daß die Bedingungen dR C = 1 (2) dt und R= O für t= 0 erfüllt sind, so -ergibt sich folgende Ausgangsspannung wobei tl = Anfangspunkt und t2 = Endpunkt des in Betracht fallenden Zeitintervalls ist.If the resistor R is now made variable, namely in such a way that the conditions dR C = 1 (2) dt and R = O for t = 0 are met, the following output voltage results where tl = starting point and t2 = end point of the relevant time interval.

Diese Spannung entspricht dem genauen Mittelwert der elektrischen Größe U2, und zwar über die gesamte Auswerte-Funktionsdauer von t-bis t2. Mit dieser Lösung werden alle vorgnannten Einschränkungen hinfällig, und es kann die theoretisch höchste statistische Zuverlässigkeit des Meßresultates erreicht werden. This voltage corresponds to the exact mean value of the electrical Quantity U2, over the entire evaluation function period from t-to t2. With this Solution, all the aforementioned restrictions are no longer applicable, and theoretically it can highest statistical reliability of the measurement result can be achieved.

Um die Differentialgleichung (2) mit ihren Grenzwerten (R = O für Xt= O) übersichtlicher darzustellen, ist sie nachfolgend in aufgelöster Form angefährt: R-C = t2 - t2t, = T. To use the differential equation (2) with its limit values (R = O for Xt = O) to be shown more clearly, it is approached in the following in a detailed form: R-C = t2 - t2t, = T.

Dies bedeutet, daß das Produkt R C jeweils der seit dem Meßbeginn verflossenen Zeit entsprechen muß. This means that the product R C in each case since the start of the measurement must correspond to elapsed time.

Fig. 4 zeigt einen Mittelwertbildner, welcher ein variables, sich automatisch änderndes RC-Glied darstellt. Dieses wird gebildet durch einen variablen Widerstand 12 und einen Kondensator 11. Die Eingabe der variablen Funktion U (t) erfolgt durch den Generator 1, die Anzeige des Mittelwertes U2 durch das Meßwerk 2. Fig. 4 shows an averager which is a variable, itself automatically changing RC element. This is formed by a variable Resistor 12 and a capacitor 11. The input of the variable function U (t) takes place by the generator 1, the display of the mean value U2 by the measuring mechanism 2.

Der Widerstandswert des variablen Widerstandes 12 wird beispielsweise vermittels einer mechanischen Übertragung 13 durch einen motorischen Antrieb 14 verändert. Der Motor 14 wird aus einem beispielsweise einphasigen Netz 15 über einen Schalter 16 gespeist. Vor Beginn einer Mittelwertsbestilnmung ist als Ausgangsstellung des variablen Widerstandes 12 der kleinste Widerstandswert einzustellen. Der Beginn der Mittelwertsbestimmung selbst ist durch Einschalten des Schalters 16 gegeben, von welchem Moment an der Motor 14 den Widerstandswert des variablen Widerstandes 12 automatisch erhöht. Sofern der Leistungsbedarf des Meßinstruments 2 nicht vernachlässigbar klein ist, ist ein weiterer variabler Widerstand 17, der vom gleichen Motor 14 angetrieben werden kann, dem Instrument 2 parallel zu schalten. The resistance value of the variable resistor 12 becomes, for example by means of a mechanical transmission 13 through a motor drive 14 changes. The motor 14 is from a single-phase network 15, for example, via a Switch 16 powered. Before starting a mean value calculation, the starting position is of the variable resistor 12 to set the lowest resistance value. The beginning the mean value determination itself is given by switching on switch 16, from what moment on the motor 14 the resistance value of the variable resistor 12 automatically increased. Provided that the power requirement of the measuring instrument 2 is not negligible is small, another variable resistor 17 is driven by the same motor 14 can be connected to the instrument 2 in parallel.

Dies ist in der F i g. 4 punktiert angedeutet.This is shown in FIG. 4 indicated by dotted lines.

In F i g. 5 ist ein Beispiel des Spannungsverlaufs am Kondensator 13 gezeigt. Zu Beginn der Mittelwertsbestimmung wird die Zeitkonstante Null gewählt. In Fig. 5 is an example of the voltage waveform across the capacitor 13 shown. At the beginning of the mean value determination, the time constant zero is selected.

Wird nun die Zeitkonstante gemäß der mit Gleichung (2) gestellten Bedingung gesteigert, so werden laufend alle Anteile der Funktion (U(t) zur Bildung des Mittelwertes herangezogen, ohne daß z. B. die zeitlich weiter zurückliegenden Anteile der Funktion wieder abgebaut und damit nur teilweise berücksichtigt werden oder ein Einschwingen abgewartet werden müßte. U2 stellt somit stets den genauen Mittelwert der Spannung U (t) vom Ausgangspunkt t1 bis zum jeweiligen Zeitpunkt t2 dar. Dadurch ist die genaue Bestimmung des Mittelwertes einer variablen Funktion beliebiger Länge gewährleistet.The time constant is now set according to the equation (2) If the condition is increased, all parts of the function (U (t) become formation of the mean value used without z. B. those further back in time Portions of the function are reduced again and thus only partially taken into account or a settling would have to be waited for. U2 therefore always represents the exact Average value of the voltage U (t) from the starting point t1 to the respective point in time t2. This enables the exact determination of the mean value of a variable function any length guaranteed.

Die Anleitungen gemäß den Gleichungen(1) bis (3) gelten für ein RC-Glied mit nur einem variablen Widerstand und einem Kondensator. Bei sinngemäßer Anwendung läßt sich aber auch mitmehreren Widerständen oder Kapazitäten das gleiche Resultat erzielen. The instructions according to equations (1) to (3) apply to an RC element with only one variable resistor and one capacitor. When used analogously but the same result can also be achieved with several resistances or capacitances achieve.

Die praktische Ausführung des Mittelwertbildners kann relativ einfach realisiert werden. So kann z. B. ein Potentiometer mittels eines Motors derart angetrieben werden, daß der Widerstand, von Null beginnend, zeitlich linear zunimmt, entsprechend dem in Gleichung (2) definierten Verlauf. Es können jedoch auch andersartige Widerstandsänderungen, wie beispielsweise thermisch, optisch oder elektronisch veränderliche Widerstände, verwendet werden. The practical implementation of the averaging device can be relatively simple will be realized. So z. B. driven a potentiometer by means of a motor in this way that the resistance, starting from zero, increases linearly over time, accordingly the course defined in equation (2). However, there can also be other types of resistance changes, such as thermally, optically or electronically variable resistances, be used.

An Stelle der üblichen RC-Glieder können auch Impedanzschaltungen, wie z. B. der bekannte Miller-Integrator, verwendet werden. Die Zeitkonstante kann in diesem Falle statt nur durch die Kapazitäts-bzw. Widerstandsänderung auch durch Veränderung der Verstärkung auf den gewünschten zeitlichen Verlauf gebracht werden. Instead of the usual RC elements, impedance circuits, such as B. the well-known Miller integrator can be used. The time constant can in this case instead of only by the capacity or. Resistance change also through Change in gain can be brought to the desired time course.

In Fig. 6 ist beispielsweise einelmpedanzschaltung schematisch gezeigt, in welcher die änderung der Zeitkonstanten durch Regelung eines veränderlichen Widerstandes 21 erfolgt. Dieser veränderliche Widerstand 21 ist zwischen zwei Verstärkerstufen 19 und 20 geschaltet; der Ausgang der zweiten Verstärkerstufe 20 ist über einen Kondensator 18 an den Eingang der ersten Verstärkerstufe 19 gelegt. Die Stellung des veränderlichen Widerstandes 21 bestimmt den Verstärkungsgrad in der zweiten Verstärkerstufe 20, wodurch die scheinbare Kapazität am Eingang der ersten Verstärkerstufe 19 verändert wird. Die Regelung des veränderlichen Widerstandes 21 kann durch einen Motorl4, welcher aus einem Netz 15 über den Schalter 16 gespeist wird, erfolgen. Die zeitliche Anderung des Widerstandes 21 muß so abgestimmt sein, daß sich die Zeitkonstante mit Rücksicht auf die Charakteristik der Verstärkerstufen 19 und 20 wieder nach der Gleichung (2) erhöht. In Fig. 6, for example, an impedance circuit is shown schematically, in which the change in the time constant by regulating a variable resistance 21 takes place. This variable resistor 21 is between two amplifier stages 19 and 20 switched; the output of the second amplifier stage 20 is via a Capacitor 18 is placed at the input of the first amplifier stage 19. The position of the variable resistor 21 determines the gain in the second Amplifier stage 20, whereby the apparent capacitance at the input of the first amplifier stage 19 is changed. The regulation of the variable resistor 21 can by a Motorl4, which is fed from a network 15 via the switch 16, take place. The change in time of the resistance 21 must be coordinated so that the Time constant with regard to the characteristics of amplifier stages 19 and 20 again increased according to equation (2).

Der Vorteil einer solchen Impedanzschaltung liegt darin, daß die Größe des veränderlichen Widerstandes 21 nicht direkt die Zeitkonstante bestimmt und deshalb sein absoluter Widerstandswert nicht kritisch ist. The advantage of such an impedance circuit is that the Size of the variable resistance 21 not directly the time constant and therefore its absolute resistance value is not critical.

In anderen Fällen ist es aus konstruktiven Gründen zweckmäßiger, die Widerstandsänderung stufenweise durchzuführen. Die Zahl und Feinheit der Stufen ist hierbei entsprechend der gewünschten Genauigkeit festzulegen. In other cases, for structural reasons, it is more appropriate to to carry out the change in resistance in stages. The number and subtlety of the stages is to be determined according to the desired accuracy.

Eine weitere Möglichkeit, die Zeitkonstante des RC-Gliedes zu ändern, besteht darin, daß nicht der Widerstand, sondern die Kapaziät stetig oder stufenweise veränderbar gemacht ist. Another possibility to change the time constant of the RC element consists in the fact that it is not the resistance but the capacitance that is continuous or gradual is made changeable.

Claims

Claims: 1. Device for measuring the mean value over time an electrical voltage on the capacitor of an RC element, its time constant is changed during the measurement period, characterized by a at the beginning of the measurement Switchable timer for continuous or quasi-continuous adjustment of the time constants from a minimum value so that the time congestion, i.e. H. the product R C, accordingly the time that has elapsed since the start of the measurement is automatically increased.

2. Apparatus according to claim 1 with connected in parallel to the capacitor Amplifier, characterized in that its degree of amplification is provided by the timer is changeable.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1088 240; Swiss patents No. 262 827, 281 330; "Electronic analog computer" von Dietrich Ernst, Verlag R. Oldenbourg (1960), pp. 58, 59.