DE2042559A1 - Verfahren und Anordnung zur elek tronischen Auswertung des Signalflusses in einer hchtelektronischen Messein richtung - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Vgrfahren unff^ngydnun^ gur elektronisehen /mswertunp des

Sip-ialflusses in einer liclitelektronischen^ Messeinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur elektronischen Auswertung des Signalflusses in einer lichtelektronischen Messeinrichtung, wobei der Auswertelektronik über zvei parallele Kanäle elektrische, zueinander in Phasenquadratur stehende Signale zugeführt werden, die durch Punktionen mit einem Sinus-bzw. Cosinus mit der zur Messgrösse proportionalen Messvariablen im Argument beschrieben v/erden können.

Lichtelektronische Messeinrichtungen der vorstehend angedeuteten Art sind z.B. aus der CH-PS 433 O65 oder der DOS 1 918 730 bekannt. Bei den bekannten Einrichtungen wird ein Lichtbündel durch das Magnetfeld eines Kochspannungsleitungs-Wechselstromes auf inierferometrischem Wege intensitätsmässig moduliert. Von dem Lichtbündel werden dann mittels Photodioden zwei orthogonale elektrische Signale abgeleitet, die in die zwei

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parallelen Kanäle aer Auswertelektronik eingespeist werden und die im wesentlichen durch folgende Funktionen beschrieben werden können:

S_x(t) = Ic₁ (l + sin0(t)) (1) S₂Ct) = k₂ (l+cos0(t)) (2).

Hierin sind k.,k„ von der Intensität der Lichtquelle, der Symmetrie der Uebertragungskanäle, der Empfindlichkeit der Photodetektoren usw. abhängige Apparatur-Konstante und 0(t) die durch die Auswertung zu gewinnende, der Messgrösse proportionale Messvariable. Konstante für einen Phasenquadratrttrfehler, eine Nullpunktverschiebung unddgl. können in erster Näherung vernachlässigt werden. Formeln (1) und (2) gelten insbesondere mit guter Näherung für Signale aus Silizium-Photodioden, welche einen vernachlässigbaren Dunkelstrom aufweisen. Die orthogonalen Signale gemäss Formeln (1) und (2) werden bei den bekannten Einrichtungen dann in der Auswertelektronik durch Modulation mit einer Trägerfrequenz und Addition zu einem phasenmodulierten Sinus-Signal umgeformt, aus dem die Messvariable durch Frequenzdemodulation gewonnen werden kann.

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In einem noch nicht veröffentlichten Vorschlag^

den die orthogonalen Signale fortlaufend mit einer sinusoiden Spannung verglichen, und den Zeiträumen zwischen zwei Zeitpunkten der Arnplitudengleichheit proportionale Impulse abgeleitet.

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Es ist auch bekannt,(z.B. IEEE J.of Quantum El. QE-2, No.8 (I960) Seite 255), Signale der vorstehend angeführten Art, jedoch mit einer Phasenverschiebung 77 , statt auf interferometrischem Wege durch eine Polarisationsmodulation zu err zeugen* Dazu wird in einer lichtelektronischen Messeinrichtung über einen magneto-optischen Festkörper die Neigung der Schwingungsebene eines linear polarisierten Laser-Lichtbündels proportional zur Messgrösse beeinflusst und dann das Lichtbündel in einem modifizierten Glan-Thomson-Prisma in zwei Teilbündel mit zueinander um J geneigten Schwingungs-

shtungen^aufgespalten. Mach einem weiteren noch nicht, veröffentlichten Vorschlag^ J^wTrd dieses bekannte Verfahren dadurch abgeändert, dass die Schwingungsrichtungen der beiden Teillichtbündel gegeneinander um -*· geneigt sind, wodurch sich dann elektrische Signale ergeben, die auch bezüglich der gegenseitigen Phasenverschiebung den Gleichungen (1),(2) entsprechen, also ein Orthogonalsystem bilden.

Ist die Messvariable 0(t) eine Wechselgrösse mit verschwindendem Gleichanteil, was bei der Messung von Leitungs-Wechselströmen bei entsprechender Justierung erreicht werden kann, so ist der Gleichanteil des Signals S (GIg.(I)) proportional zur Grosse k.♦ Das dignal S_? (GIg.(2)) hingegen weist ausser einem zu k_ proportionalen Gleichanteil auch einen Gleichanteil auf, der sich mit der Amplitude 0 der Messvariablen bzw. der Messgrösse'ändert. Ferner haben die Signale auch unterschied ions Kurvenformen.

BADORiOfNAL

Aus dieser; Gründen wax¹ es bisher- noch nicht'gelungen, Cehv:t<n·- kungen der Signalamplituden, die sich aus Schwankungen der Werte k. _} )·: ergeben, zu kompensieren. Dies ist aber eine Voraussetzung für die fehlerfreie Verarbeitung der Signale in Auswertelektroniken der eingangs geschilderten Arten.

Auaserdeir. war bisher das Probler, noch nicht gelöst, die "1" in der Klaui.^r der Gleichungen (1), (2) fehlerfrei zu eliminieren, wan gleichfalls sur Verarbeitung der Signale in dc-n geschilferten Sloktroniken notwendig ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, ;nittelr. v/elcher die dargestellten Probler.e gelöst v.-erUen.

Dies v.^rira erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Gleichanteil des ernten, durch den Sinus beschreibbaren Signals in einer Regelschaltung fortlaufend auf einen von aussen eingeführten, vorgebbaren Spannungspegel geregelt wird und die Momentanwerte des geregelten Signals in einer Konparatorschaltung fortlaufend mit den vorgebbaren Spannungspegel verglichen v/erden, und dass im Augenblick der Gleichheit eines Momentanwertes des Signals mit dem Spannungspegel ein Abtaat™ Haltekreis aufgesteuert wird, in dessen Eingang das zweite, durch den Cosinus beschreibbare Signal eingespeist wird, wobei der irlism Abtast-Kaltekreis jeweils gespeicherte Spannung-" wert fortlaufend rr.it dem doppelten Viert des vorgebbaren Spannungspegcls verglichen und zur Regelung des zweiten Signals

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auf diesen Wert ein einer etwaigen Differenz proportionales Fehlersignal erzeugt wird.

Die Erfindung geht zunächst von der Erkenntnis aus, dass der Gleichanteil DC (S₁) des Signals S, unabhängig von der Messvariablen 0(t) gleich k, ist. Deshalb ist es zulässig, den Wert DC (S,) = k, unmittelbar durch eine konventionelle Regelschaltung auf einen von aussen eingeführten, vorgebbarem Pegel k einzuregeln.

Die entsprechend erforderliche Regelung des Wertes k im Signal S„ ist in analoger V/eise aus den weiter oben dargestellten Gründen nicht möglich. Es wird deshalb hier von der weiteren Erkenntnis Gebrauch gemacht, dass für den Wert 0(t) = O der Mess variablen 0(t) das Signal S_? den Viert k_ annimmt. Nach der Erfindung wird der Zeitpunkt, in dem 0(t) = O, über, das Signal S festgestellt, welches dann den Wert k, bzw. k besitzt. Durch Abtastung und Speicherung des Wertes " S₂ (S = k ) ist dann ein Pehlersignal aus der Differenz k_? k erzeugbar, mittels welchem über ein Stellglied das Signal Sp so eingeregelt werden kann, dass auch k =k .

Die externe Einführung des Pegels k macht eine externe Regelungder Werte k,, k~ möglich, wodurch die Signale besser dem nachfolgenden Teil der Auswertelektronik angepasst werden können. Die fehlerfreie Eliminierung der "1" kann nach den erfindungsgemässen Massnahmen durch einfache Subtraktion des Pegels k von den geregelten Signalen S' , S' erfolgen.

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,Wie aus Gleichungen (1) und (2) ersichtlich, if-t- 3 (t) = k, (=k ) nicht nur für 0=0, sondern auch für ganze positive odernegative Vielfache von Ti . Für ungerade Vielfache von ϊΓ ist jedoch S nicht 2 k_?, sondern 0. Damit nicht dieser letztere Wert vom Abtast-Kaltekreis gespeichert wird, wird dieser nach einer für Amplituden/0/;> TT der Kessvariablen 0(t) wichtigen Ausbildung der Erfindung nur dann aufgesteuert, wenn das Signal S_? > 0. Da der Pegel k sowieso vorliegt, ist es zweckisässig, diese Bedingung durch einen Vergleich des Signals S^ mit-diesem Pegel k zu prüfen.

Die Regelungen werden zweckmässig durch Differenzverstärker mit grossem Verstärkungsgrad als Reglern, und Multiplikatoren oder Verstärkern mit regelbarem Verstärkungsgrad als Stellgliedern in den Signalkanälen ausgeführt.

Für die Schaltung zur Steuerung des Abtast-Haltekreises wird vortexlhaft erweise ein Spannungskoniparator vorgesehen, der mit grosser Geschwindigkeit seinen Ausgangswert ändert, wenn S-. grosser oder kleiner als k wird. Durch den Spannungswechsel kann dann ein als Impulsformer wirkender Monovibrator aktiviert v/erden, der den Abtast-Haltekreis auf steuert.

Eine Sperrung der Verbindung zwischen dem Monovibrator und demAbtast-Kaltekreis kann gleichfalls über eine Komparatorschaltung erfolgen, mittels welcher eine Torschaltung oder auch ein UND-Glied geöffnet bzw. geschlossen wird.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.. Hierbei zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer Anordnung nach der Erfindung«

Auf dein ersten Kanal läuft das Signal S gemäss Gleichung (1), auf dem zweiten Kanal das Signal S genuiss Gleichung (2) in die Schaltung ein. In beiden Kanälen ist jeweils als Stellglied ein Multiplikator 3 bzw. 10 angeordnet, der K, = k bzw. kp = k regelt, wodurch sich für die geregelten Signale die Funktionen

S¹.. = k (1 + sin0) (3) 1 ο

S* = k (1 + COS0)

d O

ergeben.

In Subtralctionsglicdern 11, 12 wird die "1" eliminiert, wodurch sich Signale der Formen

S₁₁ = k_o sin0 (5)

S₀, = k CO50 (6)

dl. ο

ergeben. Solche Signale sind für eine fehlerfreie Verarbeitung in einer der eingangs geschildei'ten und der gezeichneten Schaltung nachfolgend su denkenden Auswertelektroniken geeignet.

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Die Regelung des Signals S₁ wird von dem hoch verstärkenden Differenzverstärker 1 her gesteuert, dessen einem Eingang über den Tiefpass 2 der Gleichstromwert des Signales S' , und dessen anderem Eingang der Wert k zugeführt wird. Vom Ausgang des DifferenzVerstärkers 1 wird dem Multiplikator 3 der Paktor c£ = k /k.. zugeführt, der sich so einreguliert, dass die Differenz an den Eingängen des Verstärkers 1 möglichst klein wird.

Eine ähnliche Regelung erfolgt für das Signal S , wobei dem Multiplikator 10 der Faktor /3 - k / k_? zugeführt wird, der sich aus einem Vergleich der V.'erte 2 k„ und 2 k im hoch verstärkenden Differenzverstärker 9 ergibt.

Der Wert 2 k_? für den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 9 wird einem Abtast-Haltekreis 6 entnommen, der mitdem Ausgang des Multiplikators 10 verbunden ist, also mit dem Signal S' gespeist wird. Die Steuerung des Abtast-Haltekreises 6 erfolgt durch einen Monovibrator 5> der durch einen Komparator ¹I dann aktiviert wird, wenn S' = k . Eine Torschaltung 8 sorgt dafür, dass die Verbindung zwischen dem Abtast-Haltekreis 6 und dem Monovibrator 5 dann unterbrochen ist, wenn S' < k . Dies wird durch Vergleich der Grosse S' mit dem Pegel k im Komparator 7 bewirkt, der je nach Ausgangsspannung die Torschaltung 8 öffnet oder schliesst.

SAD ORIGINAL

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Claims (1)

1. 64/7.0.

   Pa'tentansp rü ehe

   1. Verfahren zur elektronischen'Auswertung des SignaJLflusses in einer lichtelektronischen Messeinrichtung, wobei der Auswertelektronik über zwei parallele Kanäle elektrische, zueinander in Phasenquadratur stehende Signale zugeführt v/erden, die durch Funktionen mit einem Sinus bzw. Cosinus mit ■ der zur Messgrösse proportionalen Messvariblen im Argument beschrieben v/erden können, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromanteil (k ) des ersten durch den Sinus beschreibbaren Signals (S ) in einer Regelschaltung (1,2,3) fortlaufend auf einen von aussen eingeführten, vorgebbaren Spannungspegel (k ) geregelt wird und die Momentanwerte des geregelten Signals (s' ) in einer Komparatorschaltung (k) fortlaufend mit dem vorgebbaren Spannungspegel (k ) verglichen werden, und dass im Augenblick der Gleichheit eines Momentanwertes des Signales (S₁ bzw. S' ) mit dem Spannungspegel (k ) ein Abtast- Haltekreis (6) aufgesteuert wird, in dessen Eingang das zweite, durch den Cosinus beschreibbare Signal (S' ) eingespeist wird, wobei der in dem Abtast-Haltekreis (fi) jeweils gespeicherte Spannungswert fortlaufend mit dem doppelten Wert des vorgebbaren Spannungspegels (2k ) verglichen wird und zur Regelung des zweiten Signals auf diesen Wert ein einer etwaigen Differenz (k~ -k ) proportionales Fehlersignal (M ) erzeugt wird*.

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   2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung für den Gleichstromanteil des ersten Signals als Regler einen Differenzverstärker (1) umfasst, dessen einem Eingang über einen Tiefpass (2) das erste, durch den Sinus beschreibbare Signal (S,), und dessen anderem Eingang der vorgebbare Spannungspegel (k ) zugeführt wird, und als Stellglied einen Verstärker (3) mit regelbarem Verstärkungsgrad im Kanal des ersten Signals (S ).

   3· Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtast-Haltekreis (6) nur dann aufgesteuert wird, wenn das zweite, durch den Cosinus beschreibbare Signal (S_) grosser als Null ist.

   JJ. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des zv;eiten, durch den Cosinus besehreibaren Signals (S„) ein zweiter Differenzverstärker (9) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang eines im Kanal des zweiten Signals (S„) angeordneten Verstärkers (10) mit regelbarem Verstärkungsgrad verbunden ist, und dessen einem Eingang der doppelte Wert des vorgebbaren Spannungspegels (2k ) zugeführt wird, und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Abtast-Haltekreises (6) verbunden ist, dessen Signal- Eingang mit dem Kanal des zweiten Signals (S-), und dessen Steuereingang mit dem Ausgang eines Monovibrators (5) verbunden ist, der von einem ersten Komparator (^) ge-

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   SAD

   speist wird, dessen YiinccV.nr.c einer Beits mit dem Kanal des ersten Signals (S' ) und andererseits mit der Quelle des vorfc-c-bbaren Sr-annunnspereis (k ) verbunden sind.

   5· Anordnung ru-ch Anspruch h, dadurch f-ekenn/c icb.net,. dass ein zweiter /-oir.nrraior(7) vorgesehen ist, an dessen ersten Eingang das rereftcl'i'v'i:irnal -(S',,) und an dessen zweiten Einpranp: 6er vorpebbarc^f SpannuriresneRel (k ) liegt, und dessen Ausf-ang- an den Steuereinftanp einer Torschaltunp (8) angeschlossen ist, deren anderer Eini-anr mit dem Aus rar: r; des Kcnovibrators (5) verbunden ist, wobei der Ausranr der Torschaltunr (u) an Steuerein^an^ des Abtast-Haltekreises (6) lio^t.

   6. Anordnung nach Anspruch ^l oder 5₅ dadurch gekennzeichnet, dass der vor^ebbare Spannunp;spegel (k ) in Subtraktionsgliedern (11,12) von den p-.erepelten bignalen (S' S' ) ab pe zogen rcird,

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