DE1269378B - Anordnung zur Integration zeitlich veraenderlicher Messgroessen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOId

Deutsche KL: 42d-10

Nummer: 1269 378

Aktenzeichen: P 12 69 378.6-52

Anmeldetag: 2. April 1960

Auslegetag: 30. Mai 1968

Es ist bekannt, bei einem zur Integration benutzten Motor dann, wenn das zu integrierende Eingangsmeßsignal so stark ansteigt, daß der Proportionalbereich zwischen angelegter Spannung und Drehzahl überschritten wird, durch einen spannungsabhängigen Schalter selbsttätig eine Umschaltung vorzunehmen, in der Art, daß durch ein oder mehrere Widerstände in Serie zu den Motoranschlüssen die Drehzahl beispielsweise um die Hälfte gesenkt und gleichzeitig das dem Motor über ein Getriebe nachgeschaltete Zählwerk auf die doppelte Zählfrequenz angehoben wird, beispielsweise durch die Wahl eines anderen Übersetzungsverhältnisses innerhalb des Getriebes. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist, daß bei einer Meßbereichsumschaltung die Drehzahl des Motors schlagartig auf beispielsweise die Hälfte ihres Wertes absinken müßte, um Fehler in der Integration zu verhindern.

Es ist weiterhin bekannt, zur Integration von Eingangsmeßwerten, und zwar insbesondere zur Auswertung analytischer Messungen mit stark unterschiedlichen Eingangswerten Ausschlagmeßwerke zu benutzen, wobei beispielsweise die Länge einer zyklisch sich wiederholenden Impulsfolge gleichbleibender Frequenz entsprechend der Ausschlagsgröße des Meßwerkes gesteuert wird und die Impulse der Impulsreihen fortlaufend durch ein Zählwerk über die zu integrierende Zeitperiode gezählt werden.

Auch bei der letztgenannten Anordnung ist es möglich, den Meßbereich des benutzten Meßwerkes umzuschalten, wenn die Eingangsmeßspannung den Ausschlagbereich des Meßwerkes überschreitet; es wird dann unmittelbar beim Überschreiten eines bestimmten oberen Ausschlagwertes der Meßbereich des Eingangsmeßwerkes um einen bestimmten Faktor vergrößert—d.h., seine Empfindlichkeit wird herabgesetzt — und gleichzeitig die Übersetzung des Zählwerkes um denselben Faktor vergrößert. Beim Unterschreiten eines unteren Ausschlagwertes wird der Meßbereich des Eingangsmeßinstrumentes dann verkleinert und in demselben Maß gleichzeitig das Übersetzungsverhältnis des Zählwerkes verringert. Dadurch ist es möglich, auch stark in ihrer Größe schwankende Eingangsmeßwerte mit praktisch gleichbleibender Genauigkeit zu integrieren. Die Umschaltung des Meßbereiches erfolgt selbsttätig durch einen Spannungsteiler, die Umschaltung der Zählerübersetzung durch Ein- oder Ausschalten vorzugsweise elektronisch arbeitender, dem Zählwerk vorgeschalteter oder in diesem enthaltender dualer Untersetzerstufen. Eine solche Anordnung arbeitet jedoch nicht völlig einwandfrei, da das Meßwerk nach erfolgter Anordnung zur Integration
zeitlich veränderlicher Meßgrößen

Anmelder:

Scholven-Chemie Aktiengesellschaft,

4660 Gelsenkirchen-Buer, Dorstener Str. 227

Als Erfinder benannt:

Dr. Volkert Faltings,

Dr. Istvan Haläsz, 4660 Gelsenkirchen-Buer;

Werner Schneider, 4390 Gladbeck

Umschaltung nicht in der Lage ist, sich ohne zeitliche Verzögerung auf den dem Meßwert innerhalb des neu eingestellten Meßbereiches entsprechenden Wert einzustellen, das Zählwerk dagegen infolge der Verwendung von elektronischen Untersetzersrufen in der Lage ist, dem Umschaltbefehl unmittelbar zu folgen. Dadurch ergibt sich ein Fehler in der Integration.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung und Ausgestaltung dieser Anordnung dar; sie gestattet bei selbsttätiger Umschaltung des Meßbereiches und der Zählwerkübersetzung die Durchführung zuverlässiger und hinreichend genauer Integrationen, da sie eine Korrektur der durch die endliche Einstellgeschwindigkeit des Eingangsmeßwerkes bewirkten Fehler ermöglicht. Die Erfindung geht dabei aus von einer Anordnung zur Integration zeitlich veränderlicher Meßgrößen über die Zeit, insbesondere zur Auswertung analytischer Messungen, bei welcher beim Überschreiten einer vorgegebenen Meßgröße der Meßbereich automatisch um einen feststehenden Faktor vergrößert und beim Unterschreiten einer vorgegebenen Meßgröße um einen feststehenden Faktor verkleinert sowie außerdem bei der Meßbereichsumschaltung das Übersetzungsverhältnis des nachgeschalteten Zählwerkes um denselben Faktor wie der Meßbereich verändert wird. Sie besteht darin, daß bei Verwendung einer an sich bekannten Integrationsvorrichtung mit Steuerung der Länge einer sich zyklisch wiederholenden Impulsfolge gleichbleibender Frequenz durch ein Ausschlagmeßwerk entsprechend der Größe des Ausschlagwertes und fortlaufender Zählung der Impulse über die zu integrierende Zeitperiode ein Schalter mit einstellbarer Ansprechverzögerung vorgesehen ist, den die Automatik zur Umschaltung des Meßbereiches beim Übergang auf einen höheren Meßbereich erregt und der die Zählerübersetzung auf die nächsthöhere Stufe umschaltet.

809 557/206

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung der Verlauf der Ausschlagsbewegung eines Eingangsmeßinstruments gezeigt und dabei die vereinfachende Annahme getroffen, daß der Eingangsmeßwert des Meßwerkes sich mit konstanter Änderungsgeschwindigkeit bis zur Erreichung eines Maximums vergrößert und nach Erreichung des Maximums wieder mit konstanter Geschwindigkeit auf Null zurückgeht. Die unter dieser Voraussetzung angestelltengeringes kleiner ist als die Hälfte des Meßwertes, bei welchem in den Punkten α und d eine Verdoppelung des Meßbereiches erfolgte. Bei Erreichen dieses Ausschlages im Punkt # würde ein dem Meßwert ohne 5 zeitliche Verzögerung folgendes Meßwerk sich sofort auf einen doppelt so großen Ausschlagswert einstellen, um mit auf das Doppelte vergrößerter Geschwindigkeit wieder abzusinken, bis es wiederum den Wert erreicht, bei welchem eine Verminderung

Überlegungen lassen sich, wie sich herausgestellt hat, io des Meßbereiches auf die Hälfte erfolgt. Ein der anauch auf andere Ausschlagsformen des Eingangsmeß- gelegten Meßgröße schnell folgendes Meßwerk würde Instrumentes anwenden. Voraussetzung dafür ist ledig- dann wieder den doppelten Ausschlagswert annehlich, daß die Anstiegsflanke und die Abstiegsflanke men und mit abermals verdoppelter Geschwindigkeit der zu erfassenden Meßwertänderung annähernd zu- auf Null heruntergehen. Dieser Vorgang ist in der einander symmetrisch sind, eine Voraussetzung, die 15 Zeichnung durch die teilweise strichpunktierten bei den in Frage kommenden Messungen, insbeson- Linien g-h-k-l-n dargestellt.

dere in der Gaschromatographie oder Spektrographie, Ein Meßwerk, welches nur eine begrenzte Einstell-

weitgehend erfüllt ist. Weiterhin ist die Einstell- geschwindigkeit besitzt, kann aber bei Verdoppelung geschwindigkeit des Eingangsmeßwerkes in der bzw. bei Halbierung des Meßbereiches nicht plötz-Zeichnung übertrieben verhältnismäßig klein ange- 20 lieh seinen Ausschlag halbieren bzw. verdoppeln. Die nommen, um die Wirkungsweise zu verdeutlichen. Abhängigkeit des Ausschlages von der Zeit ist für ein Auf der Abszissenachse der Zeichnung ist die Zeit t Meßwerk mit bestimmter endlicher Einstellgeschwinaufgetragen, auf der Ordinatenachse der Ausschlagt, digkeit in der Zeichnung durch ausgezogene Linien der Koordinatenanfangspunkt ist an den Beginn der dargestellt. Dieses Meßwerk folgt der Vergrößerung Ausschlagsbewegung gelegt. Am Beginn der Aus- 25 der Eingangsgröße, wenn, wie vorausgesetzt werden schlagsbewegung ist der kleinste Meßbereich einge- muß, seine Einstellgeschwindigkeit größer ist als die schaltet, mit steigender Eingangsgröße wächst der Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsgröße. Sie Ausschlag des Meßinstrumentes, bis er eine obere steigt vom Koordinatennullpunkt bis zu dem Punkt«, Marke erreicht, die z. B. bei 90 oder 100% des in welchem die Meßbereicnsumschaltung erfolgt. In Ausschlages liegen kann. In diesem mit Z₁ auf der 30 diesem Zeitpunkt α beginnt sich das Meßwerk mit Abszissenachse markierten Zeitpunkt erfolgt die Um- der ihm zur Verfügung stehenden Einstellgeschwinschaltung des Meßwerkes auf einen größeren Meß- digkeit auf den der momentanen Eingangsgröße im bereich, welcher vorzugsweise doppelt so groß wie neu eingestellten Meßbereich entsprechenden Ausder ursprünglich eingeschaltete Meßbereich ist. Das schlagswert zuzubewegen. Wegen seiner begrenzten Meßwerk des Emgangsmeßinstrumentes hat sich nun 35 Einstellgeschwindigkeit erreicht das Meßwerk jedoch dem augenblicklichen Meßwert und dem neu ein- nicht den Punkt b auf halber Höhe des die Umschalgeschalteten Meßbereich entsprechend auf einen tung verursachenden Ausschlagswertesß, da während neuen Ausschlagswert einzustellen. Könnte das Ein- der Zeit, welche das Meßwerk benötigte, um auf den gangsmeßwerk der angelegten Größe ohne Zeitver- neuen Ausschlagswert zurückzugehen, sich der Einzögerung folgen, so würde sein Ausschlag bei Ver- 4° gangswert bereits wieder vergrößert hat. Das Meßgrößerung des Meßbereiches auf das Doppelte auf werk stellt sich auf einen Ausschlagwert c ein, weleinen Wert heruntergehen, welcher halb so groß ist eher dem während der Rücklaufzeit des Meßwerkes wie der Wert, bei welchem die Umschaltung erfolgte. erreichten Meßwert im neu eingestellten Meßbereich Dieser idealisierte Vorgang entspräche einer Be- entspricht. Von hier ab erhöht sich der Ausschlag wegung entlang der strichpunktierten Linie zwischen 45 des Meßwertes wiederum bis zum Erreichen des dem Umschaltpunkt α und dem halben Wert dieses Punktes d, bei welchem eine abermalige Meßbereichs-Umschaltpunktes b. Vom Zeitpunkt des Umschaltens umschaltung auf den doppelten Wert stattfindet, ab würde dann unter der getroffenen Voraussetzung Wegen der begrenzten Einstellgeschwindigkeit des

gleichmäßiger Zunahme des Eingangsmeßwertes der Meßwerkes vergeht während der Verringerung des Ausschlag des Meßwerkes mit einer geringeren Ge- 50 Meßwerkausschlages auf einen den neu eingestellten schwindigkeit — bei Verdoppelung des Meßbereiches Meßbereich entsprechenden Wert wieder eine bemit der Hälfte der ursprünglichen Geschwindigkeit— stimmte Zeit, so daß das Meßwerk nicht auf den weiter wachsen, bis er wieder den eine Umschaltung Punkt e zurückgeht, sondern auf den Punkt /. Dieser des Meßbereiches auf das Doppelte bewirkenden entspricht dem Meßwert, welchen die Eingangsgröße Wert erreicht. Dies ist in der Zeichnung in Punkt d 55 während der Rücklaufzeit des Meßwerkes erreicht der Fall. Von diesem Punkt ab würde ein dem an- hat. Bei der Verringerung des Eingangswertes nach gelegten Meßbereich unmittelbar folgendes Meßwerk Überschreitung des Maximums an der Stelle m spielt wieder auf einen Ausschlag zurückgehen, welcher sich ein analoger Vorgang ab. Wegen seiner begrenzhalb so groß ist wie der Ausschlag, welcher die Um- ten Geschwindigkeit stellt sich nach Umschaltung schaltung bewirkte. Diese Bewegung ist in der Zeich- 60 des Meßbereiches auf den halben Wert an der nung als strichpunktierte Linie d-e bezeichnet. In Stelle g der Ausschlag des Meßwerkes nicht auf das dem neuen Meßbereich erhöht sich der Ausschlag Doppelte desjenigen Wertes ein, bei welchem die des Meßwerkes mit abermals verminderter Geschwin- Umschaltung erfolgte, sondern auf einen Wert, digkeit weiter, bis es semen Maximalwert m erreicht. welcher der im Laufe der Einstellzeit des Meßwerkes Von diesem Zeitpunkt an verringert sich der Aus- 65 nach erfolgter Umschaltung erreichten Größe des schlag voraussetzungsgemäß mit gleicher Änderungs- Eingangsmeßwertes entspricht. Dieser Vorgang geschwindigkeit, bis im Punkt g ein Ausschlagswert wiederholt sich auch nach der zweiten Umschaltung erreicht ist, welcher gleich oder vorzugsweise um ein an der Stelle k, so daß das Diagramm der Aus-

Schlagsbewegung entlang der ausgezogenen Linie m-g-i~k-n~o zur Abszissenachse verläuft.

Eine Betrachtung der durch die begrenzte Einstellgeschwindigkeit des Eingangsmeßwerkes bewirkten Fehler auf die Integration zeigt, daß die begrenzte Einstellgeschwindigkeit auf dem aufsteigenden Ast eine über den zu bestimmenden Wert hinausgehende Vergrößerung des Integrals zur Folge hat. Im Diagramm stellt sich dieser Fehler als Fläche der beiden mit I bzw. II bezeichneten Dreiecke a-b-c und d-e-j dar. Auf der Abstiegsflanke des Eingangsmeßwertes macht sich, wie aus dem Diagramm zu ersehen ist, die begrenzte Stellgeschwindigkeit des Meßwerkes als Verkleinerung des integrierten Wertes bemerkbar. Dieser Fehler läßt sich aus dem Inhalt der mit III und IV bezeichneten Dreiecke g-h-i und k-l-m abschätzen. Es zeigt sich, daß die beiden Dreiecke I und II bzw. die beiden Dreiecke III und IV zwar nicht exakt gleichen Flächeninhalt haben, daß sich ihr Flächeninhalt aber so sehr gleichen, daß sie in guter Näherung als gleich groß angesehen werden können. Trotzdem heben die beim Anstieg des Eingangswertes bis zum Maximum durch die begrenzte Einstellgeschwindigkeit nach erfolgter Meßbereichsumschaltung bewirkten Fehler sich gegen die aus demselben Grund bei der Verkleinerung des Eingangswertes hinter dem Maximum gemachten Fehler nicht ohne weiteres auf. Im Zeitpunkt Z₁, in welchem bei α eine Umschaltung des Meßbereiches auf das Doppelte erfolgt, wird nämlich auch die Übersetzung des nachgeschalteten Zählwerkes auf das Doppelte erhöht, ebenso wie im Zeitpunkt Z₂, in welchem am Punkt d die nochmalige Vergrößerung des Meßbereiches um den Faktor 2 und die Vergrößerung der Übersetzung des nachgeschalteten Zählers ebenfalls um den Fatkor 2 vorgenommen wird. Der durch den Flächeninhalt des Dreiecks I dargestellte Fehler geht also in das Integrationsergebnis mit einem Faktor ein, welcher der Verdoppelung der ursprünglichen Zählwerksübersetzung entspricht, der durch den Inhalt des Dreiecks II dargestellte Fehler mit einem Faktor, welcher der Vervierfachung der Zählerübersetzung gegenüber der eingangs eingeschalteten Zählwerksübersetzung entspricht. Der nach der zum Zeitpunkt Z₃ beim Ausschlagswertd durch die begrenzte Einstellgeschwindigkeit des Meßwerkes bewirkte Fehler, welcher durch den Inhalt des Dreiecks III dargestellt wird, wird nach einer gleichzeitig mit der Meßbereichsumschaltung vorgenommenen Umschaltung der Zählwerksübersetzung auf die Hälfte des vorher eingestellten Wertes gezählt und geht nicht mit dem Faktor 4, sondern mit dem Faktor 2 gegenüber der zu Beginn der Messung eingestellten Übersetzung ein. Der nach der Umschaltung im Punkte zum Zeitpunktz₄ durch die begrenzte Einstellgeschwindigkeit bewirkte Fehler geht nur mit dem Faktor 1 in die Messung ein, und nicht wie der nach Umschaltung im Punkt« auftretende, durch den Inhalt des Dreiecks I dargestellte Fehler mit dem Faktor 2. Der dem Inhalt des Dreiecks I entsprechende Fehler wird also mit einer auf das Doppelte vergrößerten Zählerübersetzung gezählt, als der dem Inhalt des Dreiecks IV entsprechende Fehler. Ebenso wird der dem Inhalt des Dreiecks II mit auf das Doppelte vergrößerter Zähl-Werksübersetzung integriert, als der dem Inhalt des Dreiecks III entsprechende Fehler. Obwohl die den Flächeninhalten der Dreiecke I und II entsprechenden Fehler mit anderem Vorzeichen in die Messung eingehen, als die dem Inhalt der Dreiecke III und IV entsprechenden Fehler, heben sich deshalb die Fehler auch in erster Näherung gegenseitig nicht auf. Sie können jedoch gemäß der Erfindung dadurch berücksichtigt werden, daß beim Anstieg des Meßwerkausschlages die Umschaltung der Zählwerksübersetzung nicht gleichzeitig mit der Umschaltung des Meßbereiches erfolgt, sondern eine bestimmte Zeitperiode nach der Meßbereichsumschaltung. Im Diagramm wird dann nicht mehr zum Zeitpunkt Z₁ und Z₂ gleichzeitig mit der Meßbereichsumschaltung bzw. Vergrößerung des Meßbereiches auf das Doppelte die Vergrößerung der Zählwerksübersetzung auf das Doppelte vorgenommen, sondern jeweils eine unterhalb der Abszissenachse angedeutete Zeitperiode A nach den Zeitpunkten Z₁ und Z₂. Dadurch wird innerhalb der Zeitperiode Δ nach der vorgenommenen Meßbereichsumschaltung nicht, wie es dem neu eingestellten Meßbereich entspräche, mit vergrößerter Zählwerksübersetzung gezählt, sondern nur mit der Hälfte dieser Übersetzung. Die dadurch bewirkte Verkleinerung des Meßergebnisses gleicht, bei richtiger Auswahl der Zeitverzögerung A, den durch die begrenzte Einstellgeschwindigkeit des Meßwerkes bewirkten Fehler aus. Die Umschaltung der Zählwerksübersetzung auf die Hälfte bei Verkleinerung des Meßbereiches in den Zeitpunkten Z₃ und Z₄ erfolgt weiterhin gleichzeitig mit der Meßbereichsumschaltung. Als Mittel, die Umschaltung der Zählerübersetzung gegenüber der Vergrößerung des Meßbereiches um eine einstellbare Zeitperiode zu verlängern, eignen sich Relais mit Ansprechverzögerung, Multivibratorschaltungen u. ä.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur Integration zeitlich veränderlicher Meßgrößen über die Zeit, insbesondere zur Auswertung analytischer Messungen, bei welcher beim Überschreiten einer vorgegebenen Meßgröße der Meßbereich automatisch um einen feststehenden Faktor vergrößert und beim Unterschreiten einer vorgegebenen Meßgröße um einen feststehenden Faktor verkleinert sowie außerdem bei der Meßbereichsumschaltung das Übersetzungsverhältnis des nachgeschalteten Zählwerkes um denselben Faktor wie der Meßbereich verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer an sich bekannten Integrationsvorrichtung mit Steuerung der Länge einer sich zyklisch wiederholenden Impulsfolge gleichbleibender Frequenz durch ein Ausschlagmeßwerk entsprechend der Größe des Ausschlagwertes und fortlaufender Zählung der Impulse über die zu integrierende Zeitperiode ein Schalter mit einstellbarer Ansprechverzögerung vorgesehen ist, den die Automatik zur Umschaltung des Meßbereiches beim Übergang auf einen höheren Meßbereich erregt und der die Zählerübersetzung auf die nächsthöhere Stufe umschaltet.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 626 683.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   809 557/206 5.68 © Bundesdruckerei Berlin