DE2052591C - Effektivwertumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Effektivwertumformer mit einem Verstärker und einem ersten Thermoelement mit einem Heizelement zur Aufnahme eines Signals, wobei das Thermoelement ein elektrisches Signal an den einen Eingang des Verstärkers abgibt, und einem zweiten Thermoelement, dessen Heizelement mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, wobei das zweite Thermoelement ein Rückkopplungssignal entgegengesetzter Polarität in bezug auf das Signal des ersten Thermoelementes an den anderen Eingang des Verstärkers abgibt und der Verstärker eine zusätzlche Rückkopplungsschleife aufweist.

Aus der USA.-Patentschrift 2 857 569 ist ein Effektivwertumformer bekannt, bei welchem einem Verstärker über Spannungsteilerwiderstände die Ausgangsspannung eines Eingangsthermoelementes und eines Ausgangsthermoelementes zugeführt werden und bei welchem der Verstärker über eine ÄC-Kombination rückgekoppelt ist.

Aus der USA.-Patentschrift 3 262 055 der Anmelilerin ist ein weiterer Effektivwertumformer bekannt, bei dem die verschiedenen Spannungen einem Differenzverstärker zugeführt werden.

Beiden Schaltungsanordnungen haftet der Nachteil an. daß der Betrag der Rückkopplung bzw. die Verstärkung des offenen Regelkreises auf Grund des gegengekoppelten Thermoelementes mit dem Quadrat des Ausgangsstromes schwankt, so daß die Systemdämpfung veränderlich ist.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde. Effektivweriumformcr dieser bekannten Art dahingehend zu verbessern, daß deren Ansprechgeschuiridigkeit und Übertragungsverhalten im wesentlichen unabhängig von Pegeländerungen des Eingangssignals in einem bestimmten Frequenzbereich wird.

Bei einem Effektivwertumformer der eingangs genannten Gattung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehen, daß die zusätzliche Rückl'.opplungsschleife eine SignaJübertragungscharakter.stik hat. die im wesentlichen eine Funktion des Pegels des vom Verstärker zugeführten Ausgangssignals ist und in direktem Verhältnis zu der Signalübertragungscharakteristik eines Thermoelementes entsprechend dem Pegel des dem Heizelement zugeführten Signals ist und das Ausgangssienal der zusätzlichen Kuckkoppkingsschleife dem einen Eingang des Verstärkers mit der gleichen Polarität wie das Ausgang-Signal des ersten Thermoelementes zugeführt ist. Das Ausgangssignal wird also über den Verstärker im zusätzlichen Ruckkopplungskreis gegengekoppelt und kann daher im Fa.'· eines Oifferenzverstärkers ohne vorherige Polaritätsumkehr dem invertierenden Verstärkereingang oder nach Polaritälsumkehr dem nicht invertierenden Verstärkereingang zugeführt werden, hrfindungsgemäß wird die übertragungscharakteristik des Kompensationskreises als Funktion des Signalpegels geändert, um insgesamt ein Signalverhalten zu ergeben, das über einen breiten dynamischen Bereich von SignaJpegeln relativ konstant ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen werden, daß die Signalübertragungscharakteristik der zusätzlichen Rückkopplungsschleife mittels eines kegelverstärkers gewonnen wird.

Der Betriebsbereich des Effektivwertumformers nach der Erfindung kann schließlich wesentlich in Richtung auf tiefere Frequenzen, nämlich bis herab zu 0,01 Hz dadurch erweitert werden, daß die zusätzliche Rückkopplungsschleife in Reihe mit dem Verstär'xer einen Kondensa.or aufweist. Dies beruht dar auf, daß der im Gegenkopplungszweig liegende Verstärker den effektiven Kapa7^:tätswert des Kondensators wesentlich verstärk»

Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Alisführungsbeispiele erläutert, es stellt dar Fig. 1 einen Prinzipschaltplan und

Fig. 2 ein Diagramm, aus dem die Verstärkung A ■ /! de?, offenen Regelkreises zwischen den Schahkreispunkten X, Y der Schaltung nach Fi g. 1 hervorgeht; dabei bedeuten A den Verstärkungsfaktor und fl das Rückkopplungsverhältnis.

Gemäß Fig. 1 weist ein Differenzverstärker9 ein Paar Eingänge 11 und 13 und einen Ausgang 15 auf. Ein Paar Thermoelemente 17 und 19 enthält jeweils ein Thermopaar22, 24, das mit einem Eingang 11, 13 des Verstärkers 9 und einem elektrischen Heizelement 21, 23 zur Anhebung der Temperatur des entsprechenden Thermopaarcs nach Maßgabe des den Heizelementen 21, 23 zugeführten Signals verbunden ist. Das dem Eingangsheizelement 21 zugeführte Signal erzeugt in dem Thermopaar 22 ein Signal, das dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 9 zugeführt wird. Die Signalübertragungskennlinie der

Thermoelemente 17, 19 ist näherungsweise quadratisch, wobei das Thermopaarsignal sich als Quadrat des damit verbundenen Heizelementes 21, 23 ändert. Daher ändert sich der Ausgang des Verstärker= 9 nichtlinear mit dem Eingangssignalpegel. Das Heizelement 23 des Thermoelementes 19 ist derart angeschlossen, daß es das Ausgangssignal 15 des Verstärkers 9 aufnimmt, und das Thermopaar 24 ist derart mit dem phaseninvertierenden Eingang 13 des Verv'..irkers9 verbunden, daß ein Rückführsignal erstellt \'.;rd. das sich nichtlinear mit dem Sianalpegel arn Ausgang 15 des Verstärkers 9 ändert. Es sei angemerkt, daß, falls die Thermoelemente 17 und 19 quadratisch übertragen, die Nichtlinearität des durch das Thermoelement 19 zugeführten Rückführsignals die Ncrnlinearität des dem Verstärker 9 durch das ■ hermoelement 17 zugeführten Signals kompensiert, ■·.-. ein Ausgangssignal e_t„„ zu erstellen, das linear ί dem genauen Effektivwert des Eingangssignals <.',,, ·, Heizelement 21 abhängt.

Die Umformung eines dem Heizelement des Iher-,,Mementes 17 zugeführten Sign.ils in eine Gleich-•lnung, die dem F^:.ffektivwert de^ Fiin^ang-'.signals spricht, kann durch einen wohlbekannten rriuthe-■ Uschen Ausdruck beschrieben verden. der das egral der Eingangsfunktion über eine sollständige • Mullperiode umfaßt. Die Konstanten für die Effek-Acrtumwandlung für einen Bereich von Signal- ::oden hängen teilweise von der Wärmekapazität - Heizelementes 21 und von anderen Faktoren ab. -ich über eine bestimmte Grenze hinaus ändern. :n die Periode des Eingangssignals größer wird ■ ti., wenn die Eingangssignalfrequenz abnimmt). her neigt die Gleichspannung von dem Thermoir 22 bei niedrigen Betriebsfrequenzen dazu, den npiitudenbewegungen des Eingangssignals zu fol-•l. da das Thermopaar aufhört, eine wirksame Iniir.ition des Eingangssignals über eine volle Periode ..; bewirken. In der Praxis tritt die Betriebsfrequenz. ί der drse wirksame Signalintegration über eine ·.i>'le Periode nicht mehr stattfindet, bei etwa 3 bis *:)Hz auf und drückt sich in Änderungen der An-, jiee des Ausgangspegelmessers od. dgl. unterhalb „iner derartigen Signalgeschwindigkeit aus.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Erfindung vvird der Frequenzbereich, in dem die vvirk- - :me Integration über die \olle Periode bewirkt wird ι :id dadurch eine Effektivwertumformung mit einem gegebenen Thermoelement erreichbar ist. auf tiefere Frequenzen durch Hinzufügen eines integrierenden Rückfühi-kreises 25 ausgedehnt. Dieser Kreis umfaßt die Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes 28. die zwischen dem Ausgang der nichtlinearen Verstärkerstufe 29 und dem Eingang 11 des Verstärkers 9 liegt. Die Verstärkung des offenen Regelkreises (bei vollem Signalausschlag) von dem Schaltkreispunkt X bis zu dem Punkt Y über die Schaltkreise 9. 19 und 9, 29, 27 und vervielfacht die Kapazität des Kondensators 27 in bekannter Weise und bewirkt dabei eine Polstelle bei einer Frequenz, die mehrere Dekaden unter derjenigen der Polstellenfrequenz /, liegt, die durch die Thermoelemente allein gegeben ist, wie Fig. 2 zu entnehmen ist. Dieser Pol ist in erster Linie festgelegt durch den entsprechenden Widerstand 26 des Thermopaares 22 und den Widerstand 28 sowie durch den Wert der Kapazität 27. der wirksam durch die Schleifenverstär'ung bei Vollausschlag der Schaltkreise 9 19. 13 und die Schleifenverstärkung des Schaltkreises 29. 27 und 28 vervielfacht wird. Diese Polstelle kann daher bei einer Frequenz /„ von etwa 0.002 FIz im Vergleich mit der typischen S Frequenz /, von etwa 10 Hz festgelegt werden. Die Asymptote der Schleifencharakteristik 32 nimmt daher mit der Frequenz mit etwa 20 db pro Dekade der Frequenz von der Polfrequeiiz /„ bis zu der Polfrequenz /, ab. die durch ein Thermoelement 19 bedingt ist. Um indessen die Schleif^nstabilität bis zu dem Punkt des Null-Durchganges der Verstärkung (wo die As\mptote 0 db durchläuft) sicherzustellen. kann an der Frequenz Z₁ eine Nullstelle festgelegt werden, bei der das Thermoelement 19 eine Polstelle beisteuert. Das Ergebnis einer Polstelle und einer Nullstelle etwa bei der Frequenz /, ist. daß die Asymptote der Schleifeneharakterisiik 32 weiterhin mit der Frequenz mit einer Einpolgeschwindigkeit von 20 db pro Dekade im Vergleich mit der Zweipolgeschvvindigkeit von 40 db pro Dekade (Asymptote 34) abnimmt, was eine bedingt stabile Schleife ir, Abwesenheit einer Nullste' . bei der Frequenz /, wäre. Diese Nullstelle wird in ers'cr Linie durch den Widerstand 28 in Verbindung mit dem Kapazitätswert 27 realisiert Daher wird für den Vollausschlag des Signals der Punkt des Verstärkungsnulldurchganges jenseits der Frequenz >., zu der höheren Frequenz /., gemäß einem Grundgedanken der Erfindung verlagert, und es wird ein Einpolsystem geschaffen, das eine gute Schleifenstabilität sowie die Fähigkeit, sehr tiefe Signalfrequen/en /u messen, bewirkt.

Bei einem Signal, das geringer ist als der Vollausschlag, nimmt die Schleifenverstärkung durch die quadratische Übertragungsfunktion des Thermoelementes 19 ab. Daher ist die effektive Schleifenvcrstärkung des Kreises um 20 db geringer bei einem Pegel, der ^l 10 des Vollausschlages ausmacht. Dies ergibt eine Abnahme der Einschwi/igzei' des Schalt- +0 kreises gemäß Fig. 2 durch den Übergang der Asymptote der Schleifencharakteristik zu einer tieferen Frequenz /₄ des Nulldurchgangs der Verstärkung. Um daher diese Wechsel im Einschwingverhalten als Funktion des Betriebssignnlpegels zu vermeiden, ergibt die nichtlineare Verstärkerstufc eine quadratische Verstärkung, die sich mit dem /ugeführten Signalpegel in näherungsweise direktem Verhältnis zu der SignaKibertragungscharakteristik des Thermoelementes 19 ändert. Das bedeutet, daß ein 20-db-Abfall in der Schleifenverstärkung gemäß dem quadratischen übertragungsverhalten des Ther moelementes 19 durch eine Vcrsiärkungsabnahme •>ois 20 db durch die Verstärkungsstufe 29 kompensiert wird. Diese durch die Verstärkerstufe 29 bcdingte Abnahme der Verstärkung in den Rückführweg bei einem verminderten Signalpegcl hat die Wirkung, die Polfrequenz /₍₎ der Schleifenverstärkung auf t'wt größere Frequenz /, hin zu verschieben. Die quadratische Übertragungscharakteristik der Verstärkungsstufe 29 kann durch eine genau quadratisch arbeitende Vorrichtung oder durch einen herkömmlichen Transistorverstärker und ein Diodcnumformungsnetzvverk erreicht werden. Die Geschwindigkeit der Schaltkreisantwort auf ein eingegebenes Signal wird daher nicht nachteilig durch das Signalniveau beeinflußt, da gemäß F⁷ i g. 2 durch die Asymptoten 36 und 32 bei vollem Signalpegel und die Asymptoten 35 und 32 für ' m des Signnlpegels

der Nulldurchgang der Verstärkung auf dieselbe Frequenz /., gelegt wird.

Da die Eingangssignale c_in nur dem Heizelement des Thermoelementes 17 zugeführt werden, beeinträchtigen Signalfrequenzen oberhalb der Polfrequcnzcn I₀ und /, nicht den Betrieb der Schaltung, da das Thermoelement 17 und die angeschlossene Schaltung lediglich auf den Effektivwert der vollen Periode derartiger höherer Frequenzsignale reagiert,

um eine leprasentative Ausgangsgleichspannung t'„„, zu ergeben. Die Schaltung ergibt daher eine Ausgangsgleichspannung, die genau proportional dem wahren Effektivwert eines Eingangssignals in einer Meßperiode ist. die durch den Signalpcgcl bei tiefen Frequenzen von 0,01 Hz bis zu Frequenzen in der Größenordnung von einigen Hundert MHz und für Signalpcgel von Vollausschlag bis herunter auf Vio des Vollausschlags nicht beeinträchtigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Effektivwertumformer mil einem Verstärker und einem erbten Thermoelement mit einem Heizelement zur Aufnahme eines Signals, wobei das Thermoelement ein elektrisches Signal an den einen Eingang des Verstärker;" abgibt, und einem zweiten Thermoelement, dessen Heizelement mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, wo- ig bei das zweite Thermoelement ein Rückkopplungssignal entgegengesetzter Polarität in bezug auf das Signal des ersten Thermoelementes an den anderen Eingang des Verstärkers abgibt, und der Verstärker eine zusätzliche Rückkopplungsschleife aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Rückkopplungsschleife eine Signalübertragungscharakteristik hat, die im wesentlichen eine Funktion dtj Pegels des vom Verstarr:.r(9) /ugciLhrteii Ausgangssignals ist und in din-ku-m Verhältnis /u der Signa]übertragungscharakteristik eines Thermoelementes entsprechend dem Pegel des dem Heizelement zugefuhrten Signals ist und das Auss. ngssignal der zusätzlichen Ruckkopplungsschleile dem einen Eingang des Verstärkers mn der gleichen Polarität wie das Ausgangsiignal des ersten Thermoelementes zugeführt ist

2 Effekt!¹.wertumformer nach Anspruch 1. dadurch gekenn/.t -.!inet, daß die Signalübertragungscharakteristik der zusätzlichen Rückkopplungsschieife mittels tines Regelverstärkers (29) gewonnen ist.

3 Effektivwertumformer nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungschleife in Reihe mit dem Verstärker (29) einen Kondensator (27) aufweist