DE2041532B2 - Anordnung zur Linearisierung einer Impulsfolge - Google Patents
Anordnung zur Linearisierung einer ImpulsfolgeInfo
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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
I
1.4, - .4,,1.V1 - M, -.4,)/V,
f f
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
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)
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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