DE1623679C2 - Anordnung zum Abtrennen einer Wechselspannungsgröße - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einem /?C-Glied

so versehene Anordnung zum Trennen von mit einem Gleichspannungsanteil behafteten Wechselspannungsgrößen von dem Gleichspannungsanteil selbst.

Zum Trennen einer Wechselspannungsgröße von einer Gleichspannung ist es bekannt, ein mit einem Widerstand und einem Kondensator versehenes Differenzierglied zu verwenden, bei dem an einer der Elektroden des Kondensators die Wechselspannung abgreifbar ist. In der Rundfunktechnik ist eine derartige Maßnahme beispielsweise als /?C-Kopplung bekannt.

Nachteilig bei den bekannten Anordnungen ist es, daß, damit das ftC-Glied überhaupt erst in der gewünschten Weise arbeiten kann, eine gewisse Einschwingzeit notwendig ist, bei der sich der Kondensator auf die anliegende Gleichspannung auflädt. Erst nach vollzogener Gleichspannungsaufladung kann an dem Kondensator die Wechselspannung mit genügender Genauigkeit abgegriffen werden. Die Einschwingzeit wird bei den oben beschriebenen /?C-Gliedern dann besonders lang, wenn wegen einer niedrigen unteren Grenzfrequenz der nachgeschaltete Last-Widerstand besonders groß.sein muß, wodurch sich wiederum der Kondensator nur langsam auf den Gleichspannungswert aufladen kann.

In den Fällen, in denen eine derartige Aufladung nur einmal während des gesamten Betriebes stattfindet, kann die zur Aufladung erforderliche Zeit vernachlässigt werden. In den Fällen aber, in denen ganze Reihen einzelner kurzer Messungen von mit einer Gleichspannung überlagerten Wechselspannungen gemacht werden, sind derartige lange Einschwingzeiten durchaus hinderlich. Das gilt insbesondere dann, wenn die Frequenzen dieser Wechselspannungen sehr niedrig sind und beispielsweise bei einem halben Hertz liegen. In solchen Fällen muß

. nämlich zur Vermeidung von größeren Nichtlinearitäten die Zeitkonstante für das ÄC-Glied besonders groß gewählt werden.
Derartige Wechselspannungen mit besonders niedriger Frequenz, die einer Gleichspannung überlagert sind, kommen beispielsweise in der Reifenindustrie vor, wo die Gleichförmigkeit von Rädern mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen oder Wegaufnehmern elektrisch gemessen wird. Die Gleichspannung ist dabei durch die Vorlast bedingt, mit der der Meßfühler auf das Rad aufgepreßt wird, bzw. die Position eines Wegaufnehmers, welcher in keiner definierten Anfangsstellung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, längere Einschwingzeiten zu vermeiden, so daß schon nach relativ kurzer Zeit eine Aussage über die Größe der Wechselspannung gemacht werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Verkürzung der Einschwingzeit des /?C-Gliedes nach dessen Umschaltung die ÄC-Konstante des i?C-Gliedes von einem niedrigen auf einen zur Auskopplung des Wechselspannungsanteils ausreichenden Wert stetig veränderbar ist. Hierbei sollte die Zeit für das Verändern der Zeitkonstante etwa dem 2fachen Wert der Periodendauer der niedrigsten Signalfrequenz entsprechen. Durch eine derartige Maßnahme läßt sich praktisch der durch den Aufladungsvorgang auf Grund des Gleichspannungsanteils bedingten Störung der Wechselspannungsmessung wirksam entgegentreten, indem einerseits der Kondensator schnell auf den Gleichspannungswert aufgeladen werden kann, andererseits der Widerstand einen für die Messung der niedrigsten Frequenzen geeigneten Wert erhält.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß der Widerstandswert des Widerstandes und somit auch die Zeitkonstante des i?C-GIiedes nach dessen Einschaltung sich in Form einer e-Funktion erhöht, wodurch der nach einer e-Funktion verlaufenden Einschwingzeit eines ÄC-Gliedes entgegengewirkt wird.

Für viele Anwendungsgebiete ist es günstig, wenn das jRC-Glied als Intergrierglied geschaltet ist, beispielsweise in den Fällen, in denen eine gleichstrommäßige Kopplung zwischen Eingang und Ausgang erwünscht ist, und beide Signale (Gleichspannung und Wechselspannung) an einem einzigen RC-G\ied ausgekoppelt werden sollen (s. Fig. 1). Dabei empfiehlt es sich, daß der Widerstand des ÄC-Gliedes eine Fotozelle aufweist, welche von einer Lampe bestrahlt wird, die kurz nach der Einschaltung des RC-Gliedes abgeschaltet wird. Mit Hilfe der Fotozelle lassen sich die hohen gewünschten RC-Konstanten erreichen, die bei Messungen niedriger Frequenzen nötig sind.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung wird dadurch besonders einfach, daß die Gleichspannung an der Ausgangsklemme des Integriergliedes ausgekoppelt wird und die Wechselspannungskomponente als Differenz an dem Eingang und Ausgang des Integriergliedes vorhanden ist. Erhöht sich bei einem derartigen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung der Widerstandswert des Widerstands des /?C-Gliedes nach dessen Umschaltung in Form einer e-Funktion, so geht die Spannung am Kondensator, welche vorher noch wegen der kleinen Zeitkonstante dem Eingangssignal folgte, nach einer Zeit, die wesentlich unter der Einschwingzeit eines /?C-Gliedes mit konstanter Zeitkonstante liegt, in den Mittelwert über:

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 eine elektrische Schaltung, in der die erfindungsgemäße Anordnung Verwendung findet,

F i g. 2 eine für die Erfindung wichtige Einzelheit aus der Schaltung nach F i g. 1 und

F i g. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Läßt man das Rad eines Fahrzeugs unter Belastung mit konstantem Abstand auf einer Trommel drehen, so ist der Anpreßdruck innerhalb einer Radumdrehung bedingt durch die Ungleichförmigkeit des Fahrzeugreifens nicht konstant. Unter Zwischenschaltung eines elektrischen Kraftmeßelements kann eine dieser Ungleichförmigkeit analoge Spannung gewonnen werden. Dabei entspricht der Mittelwert der Spannung der Radlast und die Spannungs-Schwankung der Ungleichförmigkeit des Rades.

Um die im Vergleich zum Mittelwert kleinen Spannungsschwankungen anzuzeigen, ist es zweckmäßig, den Mittelwert abzutrennen, da sonst eine zu geringe Auflösung des dynamischen Anteiles erreicht wird. Die Auftrennung des gemischten Signals· geschieht mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der das RC-G\ied als Integrierglied ausgestaltet ist. Durch die Anwendung der Erfindung folgt, ein sehr schnelles Einschwingen der Ausgangsspannung

so des Integriergliedes, so daß man bereits mit einer Integrationszeit von ein bis zwei Perioden sicher auskommt. Eine solche Verkürzung der notwendigen Einschwingzeit hat den Vorteil, daß ein Meßvorgang, der vorher' zum Beispiel ein bis zwei Minuten ge-

»5 dauert hat, bereits nach 20 Sek. beendet ist.

Will man eine gute Mittelwertbildung erhalten, so muß die Zeitkonstante des Integriergliedes groß gegen die Radumlauffrequenz sein. Die Radumlauffrequenz kann nicht beliebig hoch gewählt werden, da sonst, wegen der begrenzten Eigenfrequenz der Meßvorrichtung, Resonanzüberhöhung eintritt. Die Radumlauffrequenz ist dadurch auf etwa 0,2 bis 0,5 Hz begrenzt. Die dadurch notwendige Zeitkonstante T des Integriergliedes beträgt somit etwa 10 Sek., wobei sich für ein Einschwingen des ÄC-Gliedes, welches einer e-Funktion folgt, auf 99,9 °/o des Endwertes eine Zeit von etwa 7 · T = 70 Sek. ergibt, während für den eigentlichen Meßablauf nur ein bis zwei Radumdrehungen benötigt werden. Die Taktzeit der in F i g. 1 dargestellten Meßvorrichtung wird hauptsächlich durch die Einschwingzeit des zur Trennung der beiden Komponenten benötigten i?C-Gliedes bestimmt.

Die als Meßvorrichtung ausgestaltete elektrische Schaltung besitzt ein Integrierglied, welches mit einem Serienwiderstand 2 und einem Parallelkondensator 3 versehen ist. Eine Spannungsquelle 1 gibt die die beiden zu trennenden Komponenten enthaltende Spannung ab, wobei, wie oben schon erläutert, die abgegebene Gleichspannung der Radlast und die abgegebene Spannungsschwankung der Ungleichförmigkeit des gemessenen Rades entspricht.

An den Ausgang 7 des Integriergliedes ist ein erstes Meßinstrument 5 angeschlossen, welches den nachfolgend vielfach als Mittelwert bezeichneten Gleichspannungswert anzeigt. Wird von der gemischten Eingangsspannung der Spannungsquelle 1 am Eingang 6 der an einem Ausgang 7 auftretende Mittelwert abgezogen, so erhält man die nachfolgend vielfach als schwankender Wert bezeichnete Wechselspannung, welche beispielsweise durch ein zweites Meßinstrument 4 angezeigt werden kann.

Bei einem praktischen Aufbau der Meßvorrichtung nach Fig. 1 werden selbstverständlich an verschiedenen Verbindungspunkten der einzelnen Bauelemente Verstärker zwischengeschaltet, die die entsprechenden Signale sowohl verstärken als auch für eine Entkoppelung sorgen. Zur besseren Übersicht-

lichkeit wurden diese Verstärker in dem vorliegenden Beispiel jedoch weggelassen.

Soll nun mit der Meßvorrichtung nach F i g. 1 das von der Spannungsquellc 1 abgegebene Spannungssignal durch Trennen der beiden Komponenten verarbeitet werden, wobei dieses Signal wie weiter oben schon angegeben eine sehr niedrige Frequenz hat, so muß die Zeitkonstante des Integriergliedes verhältnismäßig hoch sein. Die erforderliche Einschwingzeil ist dabei verhältnismäßig lang, weil zum Erreichen einer hohen Meßgenauigkeit die Integrationszeit ein Mehrfaches der Zeitkonstanten des Integriergliedes betragen soll. Hat das Spannungssignal der Spannungsquelle 1 zum Beispiel eine Periodendauer von 5 Sekunden (also eine Frequenz von 0,2Hz) und das Integrierglied eine Zeitkonstante von 10 Sek., so ist ein mindestens das vier- bis fünffache der Zeitkonstanten betragender Zeitraum, also eine Zeit von mindestens 40 bis 50 Sek. nötig, bis sich das Ausgangssignal auf etwa 99 % des eingangsseitigen Spannungssignals eingeschwungen hat. Ein derartig großer Zeitaufwand ist für die meisten Meßvorgänge recht lästig, insbesondere dann, wenn es sich um Messungen für die Produktionsüberwachung von gefertigten Teilen handelt, die in großen Stückzahlen hergestellt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann nun während der Einschwingzeit die Zeitkonstante des aus dem Serienwiderstand 2 und dem Parallelkondensator 3 gebildeten Integriergliedes in Fig. 1 verändern, so daß die Zeitkonstante zum Beispiel nicht einen festliegenden Wert von 10 Sek. hat, sondern nach dem Starten der Meßvorrichtung bis zum Meßbeginn hin von einem niedrigen auf einen hohen Wert gesteuert wird. Hierzu wird der Serienwiderstand 2 in F i g. 1 als eine in F i g. 2 gezeigte Widerstandskombination ausgestaltet.

Fig. 2 zeigt mehr ins einzelne gehend den Aufbau des Serienwiderstandes 2, welcher als eine Widerstandskombination ausgestaltet ist. Diese Widerstandskombination besteht aus einem Fotowiderstand 21, einem Vorwiderstand 22 und einem Parallelwiderstand 23. Der Fotowiderstand 21 ist in einer Kammer in der Nähe einer Glühlampe 24 angeordnet, durch welche er nach dem Start der Meßvorrichtung belichtet wird. Durch die Belichtung des Fotowiderstandes 21 durch die Glühlampe 24 wird der Fotowiderstand 21 niederohmig, und die gesamte Widerstandskombination hat einen Widerstandswert, der im wesentlichen gleich dem Widerstandswert des Vorwiderstandes 22 ist. Wird nun die Glühlampe 24 abgeschaltet und der Fotowiderstand 21 somit nicht mehr belichtet, so erhöht sich der Widerstandswert mit einer bestimmten Zeitverzögerung erheblich. Als Fotowiderstand wird eine besonders träge Ausführung verwendet. Nach einiger Zeit ist der Widerstandswert des Fotowiderstandes so hoch, daß sich der Widerstandswert der Widerstandskombination im wesentlichen durch den Widerstandswert des Parallelwiderstandes 23 bestimmt, wobei vorausgesetzt wird, daß der Widerstandswert des Fotowiderstandes 21 erheblich größer als der des Parallelwiderstandes 23 ist. Die Abhängigkeit des Widerstandswertes der Widerstandskombination nach Fig. 2 von der Zeit ist durch eine Kurve 8 in F i g. 3 dargestellt.

Zum Zeitpunkt Γ = 0 ist der Vorwiderstand 22 wirksam, der in der vorliegenden Widerstandskombination zum Beispiel 10 kQ beträgt. Wird nun die Glühlampe 24 abgeschaltet, so steigt der Widerstandswert des Fotowiderstandes infolge von dessen Trägheit allmählich an, bis er in der vorliegenden Widerstandskombination nach T = 10 Sek. einen so hohen Wert erreicht, daß der Parallelwiderstand 23 wirksam wird, der in der hier beschriebenen Anordnung einen Wert von 1 Megohm hat. Durch entsprechende Anpassung der Widerstände 21, 22 und 23 in F i g. 2 läßt sich ein Verlauf für die Kurve 8 in F i g. 3

ίο erzielen, der einer e-Funktion entspricht.

Ändert sich nun erfindungsgemäß der Serienwiderstand 2 der Anordnung nach Fig. 1 in der oben beschriebenen Weise von einem niedrigen auf einen hohen Widerstandswert, so verändert sich gleichzeitig auch die Zeitkonstante des aus dem Serienwiderstand 2 und dem Parallelkondensator 3 gebildeten Integriergliedes. Beim Verlauf der Kurve 8 nach F i g. 3 verschiebt sich der Widerstandswert des Serienwiderstandes 2 in Fig. 2 und somit der Widerstandsweit der Widerstandskombination nach F i g. 3 von 10 kQ auf 1 Megohm, also in einem Verhältnis von 1 : 100. Der Meßvorgang mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1 verläuft nun folgendermaßen:

Unmittelbar nach dem Starten der Meßvorrichtung, aber noch vor Meßbeginn wird die Glühlampe 24 kurzzeitig eingeschaltet und dann gleich wieder abgeschaltet. Im eingeschalteten Zustand wird der Fotowiderstand 21 belichtet, und es ergibt sich eine sehr niedrige Zeitkonstante von zum Beispiel 0,1 Sek. (in diesem Fall muß der Parallelkondensator 3 einen Wert von 10 Mikrofarad haben). Solange diese sehr kleine Zeitkonstante wirksam ist, erfolgt ein sehr schnelles Einschwingen des Ausgangssignals des Integriergliedes auf den Augenblickswert, der an dem ersten Meßinstruments in Fig. 1 angezeigt wird. Mit der dem Anwachsen des Widerstandswertes gemäß F i g. 3 entsprechenden Vergrößerung der Zeitkonstanten nach einer e-Funktion geht die Spannung am Ausgang 7 vom Augenblickswert des Spannungssignals der Spannungsquelle 1 in deren Mittelwert über, die in dem Gleichspannungsanteil des Spannungssignals besteht. An den Enden des Serienwiderstandes 2 läßt sich somit die als Wechselspannung wirksame Spannungsschwankung abgreifen, welche mit Hilfe des zweiten Meßinstrumentes 4 gemessen wird.

An Stelle der Widerstandskombination nach F i g. 2 kann selbstverständlich auch jedes andere geeignete Netzwerk verwendet werden, welches einen der Kurve in F i g. 3 entsprechenden Verlauf hat. In der vorliegenden Anordnung wurde die Verwendung eines von der Glühlampe 24 gesteuerten trägen Fotowiderstandes 21 aus Kostengründen gewählt. Als Fotowiderstand hat sich dabei ein Cadmium-Chalkogenid-Schichtwiderstand bewährt, wobei man ein besonders träges Exemplar aussuchen sollte. Es kann aber auch ein schneller Fotowiderstand verwendet werden, wenn man die Lampenhelligkeit steuert. Auch lassen sich mit Vorteil gesteuerte Feldeffekttransistoren oder Motorpotentiometer oder andere veränderliche Widerstände einsetzen.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung nach den Fig. 1 bis3 in einer Maschine zum Prüfen der Gleichförmigkeit von Fahrzeugluftreifen hat sich die vorliegende Erfindung sehr bewährt. Beim Aufziehen eines Reifens über eine Prüffelge muß der Reifen jedoch unter Nennbelastung ein- bis zweimal umlaufen, damit er sich einwandfrei

setzt. Während dieses Umlaufens kann der Meßvorgang bereits mit niedriger Zeitkonstante des Integrierglicdes eingeleitet werden, und zwar bleibt während dieses Zeitraums die Glühlampe 24 eingeschaltet. Sobald die notwendigen Kräfte am drehenden Rad vorhanden sind, wird die Lampe abgeschaltet, und es folgt die Einschwingzeit, die etwa zwei Umdrehungen des Reifens entspricht. Nach dem Ende der Einschwingzeit wird innerhalb einer Radumdrehung der Meßwert abgefragt.

Bei einer praktischen Ausführungsform werden die dem Gleichspannungsanteil entsprechende Mittelwertkomponente und die der Wechselspannung entsprechende dynamische Komponente zweckmäßiger-

weise über Trennverstärker entnommen, in Analogwertspeicher eingespeichert und dann zur Anzeige auf Drehspulmeßinstrumente gegeben. Die Steuerung aufeinanderfolgender Vorgänge folgt dann durch eine entsprechende zeitliche Programmsteuerung.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße An_r Ordnung auch zur Ermittlung anderer Meßgrößen am Rad benutzt werden, wie zum Beispiel der Kräfte in seitlicher oder Längsrichtung bzw. der Momente um die Achsen. Auch läßt sich, die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft für das Messen der Rundheit eines Reifens oder Rades einsetzen oder ganz allgemein überall dort, wo eine kurze Einschwingzeit gewünscht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 613/235

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Mit einem .RC-Glied versehene Anordnung zum Trennen von mit einem Gleichspannungsanteil behafteten Wechselspannungsgrößen von dem Gleichspannungsanteil selbst, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkürzung der Einschwingzeit des ftC-Gliedes nach dessen Einschaltung die /?C-Konstante des i?C-Gliedes (3) von einem niedrigen auf einen zur Auskopplung des Wechselspannungsanteils ausreichenden Wert stetig veränderbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Einschwingzeit der Widerstand (21 bis 23) des ÄC-Gliedes in Stufen veränderbar ist (Fig. 2).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ÄC-Glied als Intergrierglied (2, 3) geschaltet ist (F i g. 1).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis· 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des /?C-Gliedes eine Fotozelle (21) aufweist, welche von einer Lampe (24) bestrahlt wird, die bei Einschaltung des .RC-Gliedes abgeschaltet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozelle (21) eine hohe Trägheit besitzt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (24) nach ihrer Abschaltung langsam dunkel wird.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Widerstandswert des Widerstandes (21 bis 23) des .RC-Gliedes nach dessen Einschaltung in Form einer e-Funktion erhöht.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand durch einen Elektromotor über eine Kurvenscheibe gesteuert ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Widerstand (21 bis 23) noch ein mit dem Fotowiderstand (1) in Reihe geschalteter Vorwiderstand (22) gehört, dessen Widerstandswert der am Meßanfang gewünschten Zeitkonstanten angepaßt ist, und daß dieser Reihenschaltung ein Paralleiwiderstand (23) parallel geschaltet ist, dessen Widefstandswert der am Meßende gewünschten Zeitkonstante angepaßt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand (23) etwa lOOmal so groß ist wie der Vorwiderstand (22) und der Dunkelwiderstand des Fotowiderstandes (21) mindestens zehnmal so groß ist wie der Parallelwiderstand (23).

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß 10 Sekunden nach Einschaltung des i?C-Gliedes unter Abschaltung der Beleuchtung (24) der Dunkelwiderstand des Fotowiderstandes (21)' wenigstens zehnmal so groß ist ■ wie der Parallelwiderstand (23), wodurch die Integrationskonstante nach dem Einschwingvorgang durch den Parallelwiderstand bestimmt wird.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß

der Fotowiderstand (21) ein als besonders träge ausgesuchter Cadmium-Chalkogcnid-Schichtwiderstand ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung am Ausgang des Integriergliedes (2, 3) und die Wechselspannung (4) zwischen Eingang und Ausgang des Integriergliedes als Meßwerte abgenommen werden.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungskomponente und die Wechselspannungskomponente über Trennverstärker entnommen werden.