DE2059924C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Messen der Differenz zwischen als elektrische Spannungen oder Strome an fallenden Meßwerten - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Messen der Differenz zwischen als elektrische Spannungen oder Strome an fallenden Meßwerten

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DE2059924C3 DE2059924A DE2059924A DE2059924C3 DE 2059924 C3 DE2059924 C3 DE 2059924C3 DE 2059924 A DE2059924 A DE 2059924A DE 2059924 A DE2059924 A DE 2059924A DE 2059924 C3 DE2059924 C3 DE 2059924C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und
eine Schaltungsanordnung zum Messen der Differenz zwischen als elektrische Spannungen oder Ströme anfallenden Meßwerten, insbesondere von bei der Fotometrie aus Proben und Vergleichsproben gewonnenen Meßwerten. Die Spannungen oder Ströme können
»5 dabei sämtliche von Null abweichende Werte aufweisen. E* kann jedoch auch so sein, daß einer der zu vergleichenden Spannungs- bzw. Stromwerte jeweils den Wert Null aufweist, so daß sich als Differenzwert jeweils der Absolutwert des weiteren Spannungs- bzw. Stromweites ergibt.
Die z.B. bei der Fotometrie entstehenden Meßströme liegen im Bereich von Zehntel Mikroampere. Diese geringen Ströme können /war verstärkt und anschließend miteinander verglichen werden. Am Aus-
gang solcher Schaltungen erhält man aber dann nicht die gewünschten Meßwendifferenzen in ausreichender Genauigkeit, weil die Meßsignale nach Verstärkung in den Fehlern oder Schwankungen der für die einzelnen Meßwerte benutzten Verstärker meistens
untergehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit welchen auch so kleine Ströme, wie sie z. B. bei der Fotometrie auftreten, mn ausreichender Genauigkeit (im Promillbereich) miteinander verglichen werden können.
Zur I osung dieser Aufgabe wird ein Verfahren angegeben, das darin besteht, daß die zu vergleichenden Werte in eine Impulsfolge auswechselweise in Zeitab-
stand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten entsprechenden Impulsen umgewandelt werden, daß die Impulsfolge, gegebenenfalls nach erforderlicher Verstärkung, in zwei getrennten Kanälen weiterverarbeitet wird in der Weise, daß während des Vorliegens eines dem einen - bzw. dem anderen Meßwert zugeordneten Impulses der Impulsfolge im einen - bzw. im anderen - Kanal das Potential der Impulsfolge im· jeweiligen Kanal um den jeweiligen Amplitudenwert in gleicher Richtung verschoben wird und daß die so verschobenen Impulsfolgen einem Differenzbildner zugeführt werden, dessen Ausgangssignal zur Anzeige gelangt.
Durch die Erfindung ist also erreicht, daß kleine Meßsignale in einem einzigen gemeinsamen Verstärker auf leicht verarbeitbare Größen gebracht werden können, so daß bei der anschließenden Differenzbildung alle diese Fehler eliminiert werden. Die Meßsicherheit bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist auch
deshalb sehr groß, weil die Folgefrequenz der den einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse relativ hoch gewählt werden kann (z. B. 1 kHz), so daß auch rasche Änderungen der Meßwerte mit Sicherheit erfaßt werden. ·
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch nicht nur mit Vorteil für die Messung kleiner elektrischer Signale benutzt werden, sondern wird auch in Fällen zweckmäßigerweise angewendet, in denen die Meßwerte nur kurzzeitig vorliegen. Der Vergleich nur "> kurzzeitig vorliegender Meßwerte ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren wesentlich vereinfacht und gegenüber bekannten Verfahren eine erhöhte Meßsicherheit erreichbar.
In einer vorteilhaften Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ,vird zur Erzeugung der Impulsfolge ein von einem Taktgeber gesteuertes Umschaltglied verwendet, welches die Meßwerte zeitlich nacheinander abwechselnd Rotastet. Die Taktfrequenz des Taktgebers ist einstellbar; damit kann die Abtastfrequenz in einfacher Weise an das jeweilige Meßproblem angepaßt und der Geschwindigkeit der Meßwertschwankungen Rechnung getragen werden. Für die Messung fotometri- ;,cher Werte bei der Blutfarbstoffmessung liegt die »5 Taktfrequenz vorzugsweise in der Größenordnung von kHz.
Zur Vermeidung zu großer Totzeiten soll das Verhältnis zwischen Pulsdauer und Pausendauer großer als eins, vorzugsweise 3: 1, sein. Die Dauer der den 3= einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse ist vorzugsweise gleich groß.
Die Verstärkung der Impulsfolge geschieht vorzugsweise mittels eines logarithmisch arbeitenden Verstärkers. Auf diese Weise werden die den Impulsamplituden überlagerten Störspannungen, insbesondere der Rauschspannungen des Verstärkers, so weit gedämpft, daß sie praktisch das Meßergebnis nicht mehr beeinflussen. Die während der Pulspausen anfallenden Störspannungen sind dabei ohne Bedeutung, da sie bei der nachfolgenden Differenzbildung im Differenzbildner automatisch herausfallen.
Gemäß weiterer Ausgestaltung der Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Vcrfahiens ist fur die Zuführung der Impulsfolge zu den Kanälen je ein Eingangskondensator vorgesehen. Jedem Kanal ist weiterhin ein dem jeweiligen Eingangskondensator nachgeschalteter, auf dem Nulllinienpotential der Impulsfolge liegender Umschalter zugeordnet. Es ist ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die beim Vorliegen eines aus einem ersten Meßwert abgeleiteten Impulses einen Umschalter und beim Vorliegen eines aus einem weiteren Meßwert abgeleiteten Impulses den anderen Umschalter im Sinne der Anschaltung des Nullinienpotentials an den jeweiligen Kanal umschaltet. Die jeweilige sinngerechte Umschaltung der Umschalter durch die Steuereinrichtung kann dabei nicht nur auf Grund eines zeitlich festgelegten und vom Taktgeber gesteuerten Programmes sondern auch auf Grund von Steuersignalen geschehen, welche aus der Impulsfolge selbst, z.B. mittels Spitzenwert-Detektoren, abgeleitet werden. Bei Steuerung vom Taktgeber wird jedoch die eindeutige Zuordnung der die Umschalter betätigenden Steuersignale zu den entsprechenden aus den Meßwerten abgeleiteten Impulsen wesentlich vereinfacht.
An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und seine Wirkungsweise erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Erfindung, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der an den wesentlichen Punkten des Prinzipschaltbildes auftretentien Spannungen.
In Fig. 1 werden miteinander zu vergleichende, z.B. bei der Fotometrie aus einer Probe und einer Vergleichsprobe gewonnene Meßwerte I und II einem Umschaltglied 1 zugeführt, welches die Meßwerte in eine Impulsfolge aus wechselweise in Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten entsprechenden Impulsen umwandelt. Die so gewonnene Impulsfolge wird in einem logarithmischen Verstärker 2 verstärkt und hat dann die Form der Spannung U15 nach Fig. 2, wobei der Impuls I jeweils aus dem Meßwert I und der Impuls II jeweils aus dem Meßwert II abgeleitet ist.
Die Impulsfolge U15 wird den Eingangskondensatoren 3 und 4 zweier Verarbeitungskanäle 3' und 4' zugeführt, deren nicht mit dem Ausgang des Verstärkers !verbundenen Elektroden wechselweise über als Umschalter arbeitende Feldeffekttransistoren S und 6 unmittelbar an das Nuitinienpotential der Impulsfolge ί/,, (Masse) oder an die hochohmigen nicht invertierenden Eingänge je eines Operationsverstärkers 7 bzw. 8 anschaltbar sind. Die Zeiten, während der die Elektroden unmittelbar mit Masse verbunden sind, werden dabei durch von einer Steuervorrichtung 9,10 erzeugte Öffnungsimpulse U13 und U14 für die Transistoren 5 und 6 festgelegt. Während der Umschaltung bleiben die Kondensatorelektroden mit den Verstärkern 7, 8 verbunden.
Den als Impedanzwandler arbeitenden Operationsverstärkern 7 und 8 ist ein weiterer Operationsverstärker Il nachgeschaltet, der die Differenz aus den jeweiligen Ausgangsspannungen der Verstärker 7 und 8 bildet. Die jeweils vorliegende Differenzspannung win' einem abschließenden, als Spannungs-Stromwandler arbeitenden Operationsverstärker 12 zugeführt und an einem Anzeigegerät 13 zur Anzeigt gebracht.
Die Schaltungselemente 17 bis 23 sind invertierende UND-Glieder, welche \on einem Taktgeber sowie von zwei bistabilen Kippstufen 15 und 16 erzeugte Spannungsinipulse zu Steuersignalen für die sinngerechte Steuerung des Umschaltgliedes 1 einerseits und der Steuervorrichtung 9, 10 für die Umschalter 5 und 6 andererseits verknüpfen.
Die Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich nach den Fig. 1 und 2 wie folgt:
Der Taktgeber 14 erzeugt Ausgangsimpulse '/',(r) (Impulsfolgefrequenz z.B. 1 kHz), welche durch die Flip-Flop-Stufen 15 und 16 in Impulsfolgen U2(') bis U,(/) umgesetzt werden. Durch Verknüpfung der Spannungen C1 bis V\ in den UND-Gliedern 17 bis 19 ergeben sich an den Ausgängen der Glieder und 19 Spannungen, deren Verläufe den gezeichneten Kurven U.(t) und LH(t) in Fig. 2 entsprechen.
Die Spannungen (J; und £/„ steuern nunmehr das Umschaltglied 1 in der Weise, daß jeweils während der Zeitdauer eines Nulldurchganges der Spannung U1 das Umschaltglied 1 auf die Meßspannung I geschaltet ist und somit der während dieser Zeit anliegende Meßwert I in einen Impuls (I) mit einer dem Meßwert entsprechenden Amplitude umgewandelt wird. Entsprechend wird jeweils bei einem Nulldurchgang der Spannung U„ das Umschaltglied 1 auf die
Meßgröße II geschaltet und während dieser Zeitdauer entsprechend der sich jeweils neu ergebenden Ampli-
ein Impuls (II) mit einer dem Meßwert II entspre- tudendifferenz.
chenden Amplitude erzeugt. Die sonstigen Schaltungselemente stellen Wider-Auf Grund der logischen Verknüpfungen der stände und Dioden dar, wie sie üblicherweise für die Spannungen U1 und U3 bis Ui in den Gliedern 20 5 Dimensionierung von Operationsverstärkern bzw. bis 23 ergeben sich Ausgangsspainnungen an den Glie- Schalttransistoren verwendet werden. Auf eine bedern 22 und 23, deren zeitlicher Verlauf durch die sondere Beschreibung dieser. Elemente kann daher in Fig. 2 dargestellten Impulsfolgen C1(O und LZ12(O verzichtet werden.
gegeben ist. Jeweils während der Zeitdauer eines Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Schal-Nulldurchganges der Spannung IZ11 wird der Feldef- 10 tungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens fekttransistor 6 geöffnet und jeweils während eines eignen sich nicht nur vorteilhaft zum Messen der Dif-Nulldurchganges der Spannung U12 der Transistor 5 ferenz zwischen zwei Sp.annungs- oder Stromwerten.. (Ausgangsspannungen der Steuervorrichtung 9, 10 Durch eine entsprechende Abwandlung der Schalentsprechen IZ14(O und t/]3(0 >n Fig. 2). tungsanordnung bzw. des Steuerprogramms lassen Dadurch ergeben sich Eingangsspannungen U]b l5 sich bei Bedarf auch mehr als nur lediglich zwei unter- und t/17 an den nicht invertierenden Eingängen der schiedliche Spannungen bzw. Ströme verarbeiten. Operationsverstärker 8 und 7 entsprechend den in Dazu kann entweder die Zahl der Verarbeitungska-Fi g. 2 gezeichneten Spannungszügen LZ16(O und näle entsprechend der Anzahl der zu verarbeitenden IL11U). Spannungen bzw. Ströme erhöht werden, wobei durch Die sich am Ausgang des Operationsverstärkers 11 »° eine entsprechende Programmsteuerung zeitlich daraus ergebende Differenzspannung Ulh bis LZ17 ist nacheinander sämtliche Kanäle miteinander verglinach dem Auftreten des ersten, den Transistor S öff- chen werden. Es ist jedoch auch ebenso möglich, das nenden Steuerimpulses bei konstant bleibenden Meß- Zweikanal-System zu belassen, wobei durch eine entwerten 1 und II ebenfalls konstant und entspricht exakt sprechende Programmsteuerung jeweils immer nur der Differenz zwischen den Amplituden der Impulse »5 die zu vergleichenden Meßimpulse den beiden Kanä-(I) und (II) der Impulsfolge LZ15(O- Bei sich ändernden len zugeführt, die restlichen jedoch am Kanaleingang Meßwerten I und II ändert sich die Differenzspannung unterdrückt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Messen der Differenz zwischen als elektrische Spannungen oder Ströme anfallenden Meßwerten, insbesondere von bei der Fotometrie aus Proben und Vergleichsproben gewonnenen Meßwerten, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichenden Werte (I, II) in eine Impulsfolge (U15) aus wechselweise in Zeitabstand aufeinanderfolgenden in ihren Amplituden den Meßwerten entsprechenden Impulsen umgewandelt werden, daß die Impulsfolge (U15), gegebenenfalls nach erforderlicher Verstärkung, in zwei getrennten Kanälen (3', 4') weiterverarbeitet wird in der Weise, daß während des Vorliegens eines dem einen - bzw. dem anderen — Meßwert zugeordneten Impulses der Impulsfolge im einen - bzw. im anderen - Kanal das Potential der Impulsfolge im jeweiligen Kanal um den jeweiligen Amplitudenwert in gleicher Richtung verschoben wird und daß die ώ verschobenen Impulsfolgen (U16, U17) einem Differenzbildner (11) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal zur Anzeige gelangt.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Impulsfolge (U1,) ein von einem Taktgeber (14) gesteuertes Umschaltglied (1) die Meßwerte (I, II) zeitlich nacheinander abwechselnd abtastet.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Taktgebers (14) einstellbar ist und für die Messung fotometrischer Werte vorzugsweise in der Größenordnung von kHz liegt.
4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 b's 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Pulsdauer und Pau-sendauer größer als eins, vorzugsweise 3:1, ist.
5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der den einzelnen Meßwerten zugeordneten Impulse gleich groß ist.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verstärkung det Impulsfolge ein logarithmisch arbeitender Verstärker (2) vorgesehen ist.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zuführung der Impulsfolge (U15) zu den Kanälen je ein Eingangskondensator (3, 4) vorgesehen ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kanal ein dem jeweiligen Eingangskondensator (3 bzw. 4) nachgeschalteter, auf dem Nullinienpotential der Impulsfolge (U15) Hegender Umschalter (S bzw. 6) zugeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (9, 10), die beim Vorliegen eines aus einem ersten Meßwert (I) abgeleiteten Impulses einen Umschalter (6) und beim Vorliegen eines aus einem weiteren Meßwert (II) abgeleiteten Impulses den anderen Umschalter (5) im Sinne dei Anschaltung des Nullinienpotentials an dein jeweiligen Kanal
umschaltet.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (9, 10) ihrerseits vom Taktgeber (14) gesteuert ist.
11. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Kanäle über je einen als Impedanzwandler arbeitenden Verstärker (7,8) mit den Eingängen des Differenzbildners (11) verbunden sind.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Differenzbildner (11) ein Operationsverstärker verwendet ist.
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