DE2041532B2 - Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge - Google Patents

Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge

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    • HELECTRICITY
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge eines nicht linear von der Meßgröße abhängigen Ausgangssignals eines Meßfühlers mit einem programmierbaren Frequenzteiler, an dessen Ausgang eine Zählvorrichtung und eine Vorrichtung zur Änderung des Teilerfaktors des Frequenzteilers für verschiedene einzelne Abschnitte des Wertebereiches der gemessenen Größe angeschlossen ist.
Die schnelle und genaue Messung und Anzeige von Größen oder Variablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Dichte usw., sind von äußerster Wichtigkeit im Transportwesen, in der Industrie und in anderen Bereichen des menschlichen Lebens. Bei der Durchführung solcher Messungen wird irgendein Meßfühler verwendet, um ein elektrisches Signal zu erzeugen (beispielsweise e'me Spannung oder einen Strom), dessen Größe sich in Abhängigkeit von der zu messenden Größe ändert. Beispielsweise werden Thermoelemente, welche thermoelektrische Wandler sind, in weitem Umfange verwendet, um die Temperatur zu messen und eine der Temperatur proportionale Ausgangsspannung zu erzeugen. Diese Spannung wird dann in geeigneter Weise weiterverarbeitet, um eine Direktanzeige der gemessenen Größe, beispielsweise der Temperatur in Grad, zu geben. Viele von diesen Meßfühlern sind jedoch nicht linear insofe/n, daß sich der mit der gemessenen Größe ändernde Parameter des Meßfühlers über den interessierenden Meßbereich nicht linear ändert. So erhält man beispielsweise beim Abtragen der Ausgangsspannung eines Thermoelementes über der Temperatur eine Kurve, welche im interessierenden Temperaturbereich keine gerade Linie ist. Dies ergibt selbstverständlich viele Schwierigkeiten bei der genauen Alizeige der gemessenen Größe. Bisher wurden nichtlineare Skalen, Kompensationsschaltungen und die verschiedensten anderen Anordnungen verwendet, um die Schwierigkeiten zu überwinden, welche aurch die nicht-lineare Beziehung zwischen Temperatur und Spannung des Thermoelementes hervorgerufen werden.
Dieses Problem der Messung und Anzeige wird noch komplizierter, wenn die gemessene Größe in digitaler Form angezeigt werden soll, d. h. der Parameter des Meßfühlers, welcher sich mit der gemessenen Größe ändert, muß so weiterverarbeitet werden, daß das Ausgangssignal des Meßfühlers, welches üblicherweise ein analoges Signal ist, beispielsweise eine Spannung, in eine digitale Form umgewandelt wird. Diese wird dann dazu verwendet, eine digitale Anzeige zu betätigen. Wegen der nicht-linearen Beziehung zwischen dem Ausgangssignal des Meßfühlers und der gemessenen Größe, welche in die digitale Form des Ausgangssignals des Meßfühlers übertragen wird, kann die digitale
Anzeige, die üblicherweise auf einer Impulszahl beruht, nichi unmittelbar in der gemessenen Größe geeicht werden. Als Ergebnis muß irgendeine Art Umwandlungstabelle zur Umwandlung der digitalen Ablesung in den Temperaturwert verwendet werden, um festzustellen, welche Temperatur tatsächlich von dem Thermoelement gemessen wurde.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Anordnung zu schaffen, deren ausgangsseitige Impulsfolge sich linear mit der Meßgröße ändert
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination folgender Merkmale: a) eine Vorrichtung aus einem Zeitgeber und Gatter zur Auslösung der Änderung des Teilerfaktors nach einzelnen vorbestimmten Zählzahlen einer Reihenfolge von Zählzahlen ist vorgesehen, die jeweils einzelne Bereichsabschnitte darstellen, b) der Teilerfaktor für jeden Abschnitt ist so beschaffen, daß die Ausgangsgröße des Zählers pro Einheit der gemessenen Größe über den gesamten Wertebereich konstant ist, c) an die Zählvorrichtung ist eine Programmier-Steuerlogik angeschlossen, die den Frequenzteiler im Sinne einer Linearisierung in vorgebbaren Einzelschritten derart einstellt, daß verschiedene Teiler eingestellt werden, wodurch der Zähler eine Ausgangsgröße liefert, die bezüglich der gemessenen Größe linear ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. j< >
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Meßgröße eines Meßfühlers, dessen Ausgangsgröße sich in nicht-linearer Weise mit seiner Eingangsgröße ändert, linearisiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich mit der Anordnung gemäß der Erfindung auch digitale Anzeigen unmittelbar in Einheilen der jeweiligen Meßgröße eichen.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näh"r erläutert. 4n
Fig. 1 ist ein Schaltbild einer digitalen Anordnung zur Linearisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
F i g. 2 zeigt eine Kurve der Ausgangsspannung eines Wandlers über einer Meßgröße;
Fig.3 ist eine Darstellung de,· Übertragungscharakteristik eines Frequenzteilers, die für den Wandlei mit einer Charakteristik gemäß Fig. 2 verwendet wurde;
Fig.4 zeigt eine K"rve der Meßgröße über dem -,0 Ausgangssignal der digitalen Anordnung.
Fig. I zeigt eine nicht-'ineare Signalquelle 1, welche beispielsweise ein Temperaturwandler wie ein Thermoelement sein kann und eine Gleichspannung am Ausgang abgibt, die den Wert der gemessenen Größe, « d. h. der Temperatur, wiedergibt. Die Ausgangsspannung von der Quelle 1 wird über den Eingangsanschluß 2 auf einen Gleichstromverstärker 10 gekoppelt, welcher das verstärkte Eingangssignal an einen spanntingsgesteuerten Oszillator M abgibt. Der span- (,0 nungsgesteuerte Oszillator Il erzeugt an dem Anschlußpunkt 12 als Ausgangssignal eine Impulsfolge, deren Folgefrequenz proportional der Eingangsspannung von der Quelle 1 ist. Wenn der Wandler ein digitales Ausgangssignal abgibt, dann kann er durch <,5 einen Schalter 13 unmittelbar mit dem Anschluß 12 verbunden werden, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. I angedeutet ist, und der Verstärker 10 und der Oszillator Il können entfallen. Am Anschluß 12 ist daher ein digitales Ausgangssignal vorhanden, welches den Ausgang des Meßfühlers oder einer andeien Vorrichtung mit einem vom Arbeitszustand abhängigen Ausgangssignal anzeigt
Die Ausgangsimpulse vom Iszillator 11 werden einer Schaltung zugeführt, welche die Impulszahl durch sich ändernde steuerbare Faktoren teilt, so daß die Ausgangsimpulse eine feste Impulszahl pro Einheit der Änderung der gemessenen Größe, beispielsweise pro Änderung der Temperatur um 1°, aufweisen und das Signal daher linearisiert ist Zu diesem Zweck wird der interessierende Temperaturbereich in eine Anzahl von Segmenten aufgeteilt, in denen jeweils die Temperatur-Spannungskurve zwar in etwa linear verläuft, aber eine unterschiedliche Steigung besitzt Der Teilerfaktor nder Teilerschaltung wird so variiert daß das Verhältnis der Teilerfaktoren in zwei Segmenten proportional dem Verhältnis der Steigungen der Temperatur-Spannnngskurve in ciiesen Segmenten ist Wenn daher die Steigung eines Segmentes zweimal so grt«i ist, wie die eines anderen Segmentes, dann wird der 1 eilerfaktor über dem einen Segment zweimal so groß gemacht wie über dem anderen Segment. Daher wird das Ausgangssignal über alle Segmente linearisiert und die Ausgangsimpulse weisen ein festes Verhältnis zwischen der Impulszahl und den Temperaturgraden im gesamten interessierenden Temperaturbereich auf. Mit anderen Worten wird der Temperaturbereich in eine Vielzahl von Segmenten aufgeteilt, die jeweils durch ein lineares Verhältnis Impulszahl/Grad oder Impulszahl/Einheit charakterisiert sind und mit einer Programmier-Steuerlogik 20 gekoppelt sind. Wenn ein Dekadenzähler 18 vorgegebene Zählwerte durchläuft, ändern sich die Spannungswerte am Ausgang des Zählers 18 und steuern die Steuerlogik 20. Dieser vorgegebene Zählwert stellt jeweils ein Temperatursegment mit einer Steigung der Impuls-Temperalurkurve dar, welche sich von der Steigung des vorhergehenden Segmentes unterscheidet. Die Programmier-Steuerlogik 20 ist eine logische Schaltung, die in der Lage ist, verschiedene digitale Zustände anzunehmen, d. h. sie kann einen Binärzustand 1110,1100, usw. erzeugende nach der gerade am Zähler 18 vorhandenen Ausgangsspannung, wenn der Zählwert in dem Zähler 18 die vorgegebenen Zählwerte durchläuft. Jeder der Spannungswerte, welche diese binären Zustände darstellen, ergibt einen anderen Teilerfaktor n, wenn er auf den programmierbaren Frequenzteiler 15 gekoppelt wird. Am anderen Ende jeder Periode wird dem Dekadenzählcr 18 von einer konventionellen, mit Verzögerung versehenen logischen Univibratorschaltung 22 ein Rückstellsignal zugeführt. Der Eingang der Schallung 22 ist an einen Zeiuaxtgeber 16 gekoppelt. Um eine Information für die Anzeige zu erhalten, ist ein zweiter Ausgang des Dekadenzählers 18 mit meiner Auswertevoi richtung für die Ausgangsfrequenz ausgestattet, welche ein Register 25 enthält. Der Ausgang des Registers 25 ist auf eine DekodierungsscHltung 26 gekoppelt, welche den Eingang für eine Auslese-Anzeigevorrichtung 27 liefert.
Die theoretische Arbeitsweise der Schaltung ergibt sich wie folgt: Fig.2 zeigt die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der von einem typischen Wandler, beispielsweise einem Thermoelement, zu messenden Größe. Die Abszisse ist in willkürliche Einheiten unterteilt, welche den Wert der zu messenden Größe anzeigen. Im Falle eines Thermoelementes bedeutet dies daher Temperaturgrade, beispielsweise
F-" oder °C Die Ordinate ist in zwei McUstiibc aufgeteilt, einmal in der Ausgangsspannung vom Gleichstromverstärker 10 und der Ausgangsspannung vom gesteuerten Oszillator 11. Die dünn ausgezogene Kurve 30 stellt die tatsächliche Kurve des Ausgangssignals des Wandlers dar und die stärker ausgezogene Kurve .31 ist eine lineare Approximation dieser wirklichen Kurve. Die lineare Approximatin kann mit so vielen Segmenten durchgeführt werden wie es erwünscht ist, um eine Annäherung in den erwünschten Genauigkeitsgrenzen zu erhalten. Zur Erleichterung der Darstellung ist die Kurve in drei Segmente unterteilt, jedes Segment ist durch eine gerade Linie von dem ersten Schnittpunkt bis zu einem nächsten Schnittpunkt dargestellt, d. h. die Beziehung zwischen Spannung und der Einheit der zu messenden Größe ist über das Segment linear. Die vier Schnittpunkte der Kurve in F" i g. 2 sind mit An bis Ai bezeichnet. ]cdes Segment des interessierenden Temperaturbereiches hat eine andere Steigung.
Die Steuerlogik, d. h. der programmierbare F-'rcquenzteiler 15. der Dckadcnzä'hicr 18 und die Programmier-Stcuerlogik 20. wählt den Teilerfaktor η für die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators It für jedes Segment so, daß das Ausgangssignal des Dekadenzählers 18 linear ist. Die Art und Weise, in der dies erreicht wird, ist am leichtesten im Zusammenhang mit den F i g. 3 und 4 ersichtlich. In F i g. 3 zeigt die Abszisse die Ausgangsimpulszahl des Dekadcnzählers 18 während einer Periode, und die Ordinate stellt die Zahl der Impulse von dem spannungsgesteiierten Oszillator 11 dar. wobei zur Erzielung eines linearen Alisgangsignals variable Tcilcrfaktoren verwendet werden.
Durch die oben erwähnte Beziehung wird das in F-" i g. 4 wiedergegebene Ergebnis erhalten. Die Abszisse in fig. 4 enthält die während einer Periode abgegebenen Impulszahlen und die Ordinate enthält die Werte der Meßgröße. Die ganze Anordnung kann normiert werden, so daß die auf der Anzeigevorrichtung wiedergegebene Zahl dem Wert der Meßgröße entspricht. Um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten, wird die Anordnung so eingerichtet, daß sie nach den folgenden Gleichungen arbeitet:
Segmente Nr.
Bereiche
An < C < A, C =
IT
A, < C < A, C = f ■ [T
(A1 - .4,,1/V1
I
1.4, - .4,,1.V1 - M, -.4,)/V,
f f
1.4, -Λ,Ι.-V, -
<C < AK C = / T-
/V1.
_, -AK.1)NK.l
Ar. 4·.
4;. Ai T
= Frequenz vom spannungsgesteuerten Oszillator 11
= Gesamtimpulszahl während einer Steuerpcriode
=·· Knickpurkte der Segmente
= Konstante Zeitperiode, gesteuert von dem
Zeitgeberoszillator 16
Nk — Teilerfaktor des Frequenzteilers 15
k = Segmentnummer
Arbeitsweise der Schaltung
Es sei zunächst angenommen, daß die Quelle 1 einen Wandler, beispielsweise ein Thermoelement, enthält, das είπε Chsrakteristik entsprechend der Kurve 30 in F i g. 2 besitzt. Dann wird eine lineare Approximation entsprechend Kurve 31 in F i g. 2 durchgeführt. Weiterhin sei angenommen, daß die Meßgröße einen Wert von 800 besitzt (d. h. die Temperatur eines genossenen Abgasstroms ist beispielsweise 800°C) und daß für den Wert 800 der Gleichstromverstärker 10 eine Ausgangsspannung von 3SS V abgibt. Der spannungsgesteuerte Oszillator 11. dessen Ausgangsgröße linear zur Eingangsgröße ist. liefert eine Ausgangsgröße von 12 kH/. Die erste Auslesung geschieht, nachdem der Zeitgeberoszillator 16 das Gatter 14 während einer festgelegten Zeitperiode öffnet. Eine Impulsfolge mit meiner
Vi Folgefrequenz von 12 kHz wird dem programm;".rbaren Frequenzteiler 15 zugeführt.
Für das erste Segment (d.h. von Q bis 200) ist der Frequenzteiler 15 so programmiert, daß er für jeweils 15 ankommende Impulse einen Impuls weitergibt, d. h. der Teilerfaktor ist auf n= 15 eingestellt. Dies geschieht so lange, bis die Zählung auf der Kurve den Knickpunkt A\ erreicht, an dem die Steigung der Kurve 31 sich ändert, d. h. nachdem 3000 Impulse angekommen und 200 Impulse abgegeben sind. In dem nächsten Segment von
bü 200 bis 600 ändert sich die impuisfoigefrequenz von 3000 bis 7000Hz, d.h. es liegt eine Steigung von 10 Impulsen pro Einheit vor. Die Ausgangsspannung vom Zähler 18 betätigt nun die Programmier-Steuerlogik 20, welche auf diesen Zählwert hin ein digitales Signal
t5 abgibt, das dem Frequenzteiler 15 zugeführt wird und den Teilerfaktor des Frequenzteilers 15 so ändert, daß er der Steigung des Segmentes zwischen den Knickpunkten A1 und /4j entspricht Der neue Teilerfaktor für
die Kurve 31 ist 10, so daß der Frequenzteiler jetzt einen Ausgangsimpuls für 10 Eingangsimpulse erzeugt. Die Zählung wird so lange fortgesetzt, bis die Programmier-Steuerlogik einen Spannungswert am Zähler 18 feststellt, der dem Zählwerl 600 entspricht. Dies geschieht am Punkt A2. An dem Knickpunkt A2 gibt die Programmier-Steuerlogik 20 an den Frequenzteiler 15 ein aRi-^res digitales Steuersignal zur Änderung des Teilerfaktors ab. Im dritten Segment der Kurve in Fig. 2 ist die Kiirvensteigung 25 Impulse pro Einheit und der Teilcrfaktor wird auf den Wert 25 geändert, so daß man pro 25 Ijngangsimpulse einen Ausgangsimpuls erhält.
Die Steuerperiode des Zcitgebcros/illators 16 ist so gewählt, daß die maximale Ausgangsfrequenz des spannungsgestcuerten Oszillators 11 eine volle .Skalenablesung ergibt. Da eine Programmier-Steuerlogik 20 und ein Frequenzteiler 15 verwendet werden können, weiche Schuit/citcn in eier Größenordnung von
Nanosckunden besitzen, entsteht kein Fehler durch Nichtansprechen von Schalungselementen auf F.ingangsimpulse.
Die Information im Dekadcnzähler 18 wird auf das Register 25, die konventionelle Dekodierschaltung 26 und die Anzeigevorrichtung 27 übertragen. Der Zähler 18 wird durch den Univibrator 22 zurückstellt, um ihn für die nächste Steuerperiode vorzubereiten. Der Univibrator wird getriggert, wenn das Signal von dem Zeitgeberoszillator 16 das Gatter 14 schließt. Daher wird der Zähler auf Null zurückgestellt, um eine neue Zählung während der nächsten Steuerperiode durchzuführen.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist /war der Teilcrfaktor so eingestellt, dall die linearisierte Kurve am Ausgang eine Steigung von I besaß. Dies ist jedoch nur ein Beispiel und tatsächlich kann irgendeine gewünschte konstante Steigung für das Ausganassignai erzeugt werden.
Hiei'/ii I Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Linearisierung einer Inipulsfolge eines nicht linear von der Meßgröße abhängigen > Ausgangssignals eines Meßfühlers mit meinem programmierbaren Frequenzteiler, an dessen Ausgang eine Zählvorrichtung und eine Vorrichtung zur Änderung des Teilerfaktors des Frequenzteilers für verschiedene einzelne Abschnitte des Wertebereiches der gemessenen Größe angeschlossen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) eine Vorrichtung aus einem Zeitgeber (16) und Gatter (14) zur Auslösung der Änderung des Teilerfaktors nach einzelnen vorbestimmten Zählzahlen einer Reihenfolge von Zählzahlen ist vorgesehen, die jeweils einzelne Bereichsabschnitte darstellen;
b) der xeilerfaktor für jeden Abschnitt ist so beschaffen, daß die Ausgangsgröße des Zählers (18) pro Einheit der gemessenen Größe über den gesamten Wertebereich konstant ist;
c) an die Zählvorrichtung (18) ist eine Programmier-Steuerlogik (20) angeschlossen, die den Frequenzteiler (15) im Sinne einer Lineariüierung in vorgebbaren Einzelschritten derart einstellt, daß verschiedene Teiler eingestellt werden, wodurch der Zähler (18) eine Ausgangsgröße liefert, die bezüglich der gemesse- jo nen Größe linear ist.
2. Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge nach Anspruch 1, dadun ,1 gekennzeichnet, daß die Eingangsschaitung einen spannungsgesteuerlen Oszillator (11) enthält. Ji
3. Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Vorrichtung (14, 16) zur Zuführung des Ausgangssignals des spannungsgcsleuertcn Oszillators (ll) zu dem programmierbaren Frequenzteiler (15) während einer festgelegten Zeilperiode und zur periodischen Rückstellung der Zählvorrichtung (18) am Ende jeder dieser festgelegten Zeitperioden ehie Vorrichtung(22) angeschlossen ist.
4. Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfol- 4> ge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gatter (14) ein NAND-Gatter ist, von dem ein erster Eingang mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (11) verbunden ist, ein zweiter Eingang zur Verbindung mit meinem Oszillator (16) ίο vorhanden ist, und ein Ausgang mit dem programmierbaren Frequenzteiler (15) verbunden ist, und bei dem die Vorrichtung zur Rückstellung eine Logikschaltung (22) umfaßt, die einen Eingang zur Verbindung mit dem Zeitgeberoszillator (16) und einen Ausgang besitzt, der so angeschlossen ist, daß er zur Rückstellung der Zählervorrichtung (18) dient.
5. Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, diiß eine Registervorrichtung (26) vorhanden ist, die an μ den Ausgartg der Zählvorrichtung (18) gekoppelt ist, sowie eine Vorrichtung zur periodischen Rückstellung des Registers nach jeder Zeitperiode und eine Dekodiervorrichtung (26) am Ausgang des Registers und eine an den Ausgang der Dekodiervorrichtung angekoppelte Anzeigevorrichtung (27) besitzt.
6. Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung einen spannungsgesteuerten Oszillator (11) zur Erzeugung einer Impulsfolge besitzt mit einer Folgefrequenz, die proportional der gemessenen Größe ist, und eine Gatterschaltung (14) zur Ankopplung der Impuls auf den programmierbaren Teiler (15) während einer festgelegten Zeitperiode sowie eine Vorrichtung zur Rückstellung der Zählervorrichtung (18) am Ende jeder Ztitperiode aufweist.
DE2041532A 1969-08-21 1970-08-21 Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge Expired DE2041532C3 (de)

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DE2041532B2 true DE2041532B2 (de) 1979-05-31
DE2041532C3 DE2041532C3 (de) 1980-01-24

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