DE2123003B2

DE2123003B2 - Schaltung zum Unearisieren der Kennlinie eines Umformers

Info

Publication number: DE2123003B2
Application number: DE2123003A
Authority: DE
Inventors: Anthony John Farnborough Hampshire Ley (Grossbritannien)
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1970-05-12
Filing date: 1971-05-10
Publication date: 1975-08-07
Also published as: US3700865A; FR2093482A5; DE2123003A1; GB1294489A; NL7106547A

Description

8 Elektronische Schaltung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Integrator (30, 36) zum Integrieren des analogen Ausgangssignals, eine Triggerschaltung (37), die derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie gesetzt wird, wenn das Ausgangssignal des Integrators einen vorbestimmten Wert erreicht, und einen Schalter (39) umfassen, der derart angeordnet und ausgebildet ist. daß er dem Eingang des Integrators so lange ein dem analogen Ausgangssignal entgegencrerichtetes weiteres Signal zuführt, wie die Triggerschaltung gesetzt ist, so daß das Rücksetzen der Triggerschaltung bewirkt wird, und daß dieses weitere Signal aus dem einen festen Bezugswert darstellenden Signal (15) abgeleitet ist.

9. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Eingangssignal einer zweiten veränderlichen Größe proportional ist (F ig. 6).

10. Elektronische Schaltung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer (12) ein Dichte-Umformer und das analoge Eingangssignal von einem Durchflußmesser (41) gebildet

ist.

11. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7. dadurch ^kennzeichnet, daß sie ein von dem Zeichen-Pause-Signal gesteuertes Tor und einen Durchflußmesser aufweist, der dem Tor Impulse mit einer der volumetrischen Durchflußgeschwindigkeit proportionalen Folgefrequenz zuführt, so daß diese von dem Tor durchgelassen werden. wenn es durch das Zeichen-Pause-Signal aufgetastet ist.

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Linearisieren der Kennlinie eines Umformers, der eine physikalische Größe in eine Frequenz umformt, mit einem analogen Netzwerk variabler Verstärkung, das bei Ansteuerung mit einem ana'ogen Eingangssignal ein analoges Ausgangssignal abgibt.

Derartige Umformer sind z. B. Dichte- oder Druckumformer.

Es gibt verschiedene bekannte Schaltungen. Das Ausgangssignal kann in eine analoge Spannung umgeformt werden, deren Abhängigkeit von der Eingangsgröße dann durch ein nichtlineares Netzwerk h'nearisiert wird (DT-PS 8 81876). Die Genauigkeit einer derartigen Schaltung ist sehr gering. Es gibt zwar auch sehr genaue, rein digitale Schaltungen, doch sind diese sehr kostspielig. Außerdem sind elektromei'hanische Vorrichtungen zum Linearisieren von Kennlinien bekannt (US-PS 32 01575). in denen die abhängige Variable des zu linearisierenden Zusammenhangs mittels eines drehbaren Potentiometers in einen Achswinkel umgesetzt wird, und der Zusammenhang zwischen diesem Achswinkel und der unabhängigen Variablen dann mit Hilfe einer Scheibe lincarisiert wird, auf der Winkelmarkierungen in mchllinearem Abstand voneinander angebracht sind, und die zusammen mit dem drehbaren Potentiometer gedreht wird. Ein geeigneter Detektor spricht auf die Winkelmarkierungen an. während die Scheibe um einen bestimmten Achswinkel gedreht wird. Das Ausgangssignal des Detektors wird einem Zähler zugeführt, der die Markierungen zahlt und ein entsprechen-

jes digitales Ausgangssigna] liefert. Diese Vorrichtung fet wegen ihres elektromechanischen Aufbaus komplijie-Λ und teuer, und sie arbeitet nicht sehr zuverlässig. Außerdem ist es schwierig, die Scheibe genau zu eichen. Pie Vorrichtung ist deshalb wenig geeignet, einen Zusammenhang mit der erforderlichen Auflösung zu linearisieren, bei dem die abhängige Varuble aus einer Frequenz besteht, die in dem bei Umformern im allgemeinen vorgegebenen Frequenzbereich liegt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ι ο verhältnismäßig hohe Genauigkeit mit verhältnismäßig geringem Aufwand und entsprechend niedrigen Kosten zu erreichen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von einer elektronischen Schaltung der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß ein Zähler von einem Oszillator abgegebene Impulse zählt und eine »uf das Umformerausgangssignal ansprechende Vorrichtung den Zähler auf einen ersten vorbestimmten Wert beim Auftreten jedes N-ten Ausgangsimpulses des Umformers zurücksetzt, wobei N = 1 oder eine andere ganze Zahl ist, daß die elektronische Schaltung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Schaltsignals enthält, das einen von zwei verschiedenen Werten annehmen kann und beim Auftreten jedes N-ten Impulses von dem einen Wert auf den anderen wechselt und jedesmal auf den einen Wert zurückkehrt, wenn der Zählerstand des Zählers einen zweiten vorbestimmten Wert annimmt, und daß das analoge Netzwerk mehrere Schalter enthält, die durch das Schaitsignal derart gesteuert werden, daß die Verstärkung des analogen Netzwerks jedesmal umgeschaltet wird, wenn einer der Schalter geschaltet wird, und die Anordnung so getroffen ist, daß der Mittelwert des analogen Ausgangssignals eine von der Eingangsgröße linear abhängige Form des Umformerausgangssignals darstellt.

Die Art des analogen Netzwerks und die Anordnung der Schalter darin hängt von der Funktion bzw. dem Verlauf der Kennlinie (Übertragungskennlinie) des Umformers ab, die linearisiert werden soll. Die folgende Beschreibung stellt jedoch sowohl das der Lin risierung zugrunde liegende Prinzip als auch die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Funktionen klar. Das Schaltsignal bewirkt eine Zeichen-P;i ^e-Modulation (Tastverhiilinis-Modulation) des an 'loaen Signals, und im allgemeinen muß diese Modulation aus dem Ausgangssignal durch entsprechende Glältung entfernt werden. Eine Glältung kann an Zwischenpunkten in dem analogen Netzwerk erforderlich sein. wenn beide komplementäre Formen des Schaltsignals verwendet werden, wie bei den nachfolgend beschriebenen beiden Beispielen. Die Glättungszeitkonstanten sollten so gewählt sein, daß sie möglichst klein sind und dennoch eine hinreichende Glättung $5 gewährleisten, um eine möglichst hohe Ansprechgeschwindigkeit zu erzielen.

Das analoge Eingangssignal kann ein fester Bezugswert sein. In diesem Falle ist das analoge Ausgangssignal proportional dem Betrag der umgeformten variablen Eingangsgröße. Das Eingangssignal kann jedoch auch einer zweiten variablen Größe proportional sein, und in diesem Falle isl das Ausgangssignal dem Produkt der beiden variablen Größen proportional. fts

Das analoge Netzwerk kann ein passives Nel/.werk mit einem Verstärkungsfaktor sein, der stets kleiner :ik 1 ist. doch wird die Verwendung eines aktiven Netzwerks mit Rechenverstärkerr. (auch Operationsverstärker genannt) bevorzugt.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden an Hand von Zeichnungen, die bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele darstellen, näher beschrieben.

F i g. 1 und 2 stellen Schaltungen zur Bildung eines Schaltsignals dar;

F i g. 3 stellt den Verlauf von Signalen dar; F i g. 4 stellt ein analoges Netzwerk dar;

Fig. 5 und 6 stellen Abwandlungen des Netzwerks nach F i g. 4 dar;

F i g. 7 stellt eine Abwandlung der Schaltungen nach Fig. 1 dar;

F i g. 8 stellt den Verlauf von Signalen dar; F i g. 9 stellt ein anderes analoges Netzwerk dar.

Nach F i g. 1 zählt ein Zähler 10, z. B. ein binärer oder BCD-Zähler von einem äußerst stabilen Quarz-Oszillator 11 abgegebene Taktimpulse, deren Folgefrequenz beispielsweise 10 MHz betragen kann. Ein Umformer 12 liefert Impulse mit einer Folgefrequenz., die sich in Abhängigkeit von der umgeformten veränderlichen Größe ändert, und jeder N-ie Impuls wird von einem Frequenzteiler 13 ausgewählt und erscheint auf einer Leitung 14. N kann gleich 1 sein. In diesem Fülle ist der Frequenzteiler 13 nicht erforderlich. Die Leitung 14 ist mit einem Rücksetzanschluß des Zählers 10 verbunden, so daß jeder /V-te Umformerimpuls den Zähler auf Null zurücksetzt, was einen ersten vorbestimmten Wert darstellt.

Zunächst sei der Fall N = 1 betrachtet. Dann wird der Zähler in Zeitabständen von T zurückgesetzt, wobei T die Periodendauer der Umformerinipulse ist. Wenn T gleich T₀ + IT ist, wobei T₀ eine Konstante ist. wie in den nachfolgend beschriebenen Beispielen, dann läßt sich das Ende von T₀ nach jedem Rücksetzen des Zählers auf NuIi durch einen Vergleicher oder ein Äquivalenz-Tor 16 markieren, der bzw. das jedesmal einen Impuls über eine Leitung 17 abgibt wenn der Zähler 10 einen Zählwert von C₀ erreicht, wobei C₀ · r = T₀ und / die Periodendauer der Ausgangsimpulse des Oszillators 11 ist. C₀ ist mithin ein zweiter vorbestimmter Wert, und der Vergleicher 16 kann in an sich bekannter Weise auf verschiedene Werte von C₀ und mithin von T₀ einstellbar sein.

Die Leitungen 14 und 17 sind jeweils mit den Setz- und Rücksetzeingängen S und R eines Flipflop 18 verbunden, und die an den entsprechenden Ausgängen Q und Q erscheinenden Signale sind in Fig. 3 dargestellt. Entweder das eine oder das andere oder beide Signale können als Schaltsignal verwendet werden, und wenn die EIN- und AUS-Zustände dieser Schalter so zugeordnet sind, wie es in F i g. 3 dargestellt ist (die entgegengesetzte Zuordnung ist ebenfalls möglich), schaltet das Signal feinen Schalter für die Dauer von T„ und das Signal Q einen Schalter Tür die Dauer IT der Zeit T ein. so daß das Tastverhältnis der Schalter jeweils T₀ T und I 7' T ist.

Nach Fig. 2 erhält man im wesentlichen die gleichen Ergebnisse durch Einstellen des Zählers 10 auf da.. Komplement von C₁, (den ersten vorbestimmten Wert) und gleichzeitiges Setzen des Flipllop 18 durch einen Impuls über die Leitung 14. wobei ein Netzwerk l^l) /um Voreinstellen von C₁, /wischciiücschaitel isl. wahrend das Flipllop durch den Vberlaufimpuls des /ählcrs Kl zurückgesetzl wird, wenn er von seinem maximalen /ählwert auf Null (den /weiten vorbestimmten WertI umgeschaltet wird.

Die mathematische Funktion der Kennlinie von Flüssigkeitsdichte-Frequenz-Umformern lautet bekanntlich wie folgt:

so ändert, daß das Eingangssignal des Verstärkers 30 gleich der Summe von

wobei T die Uinformerimpulspcriodendauer und O₀ und T₀ Konstanten des Umformers sind. Diese Funktion läßt sich wie folgt umschreiben:

und

ίο ist. wobei 17;
"T₀"

wobei /IT= T — T₀ ist, wie es bereits erwähnt wurde. F i g. 4 stellt ein analoges Netzwerk dar, das auf die Schaltsignale mit den Tastverhältnissen I T/7" und TJT dahingehend anspricht, daß sie eine analoge Ausgangsspannung

To

I
T₁

ist. Diese Summe reduziert sich unter Beachtung von I γ = T - T₀ auf

k -

in Abhängigkeit von einer Bezugseingangsspannung V, ₂__s die von einer Schaltung 15 erzeugt wird, abgibt. Schalter sind durch ein Symbol in Form eines Kreises mit einem Punkt in der Mitte dargestellt, wobei ein Doppelpfeil den Schalteingang darstellt.

Der Mittelwert des Ausgangssignals eines Schalters 20 (der durch das Schaltsignal mit dem Tastverhältnis 1 T/T gesteuert wird) ist proportional dem Tastverhältnis I T/T und wird einem Verstärker 21 zugeführt, der einen Glättungsrückführkondensator 22 und einen ohmschen Rückführzweig aufweist, in dem ein Schalter 23 liegt, der mit dem Tastverhältnis T₀, T gesteuert wild. Das Ausgangssignal des Verstärkers ist daher proportional (A TIT):(T₀JT) = I TT₀. Dieses Signal wird Verstärkern 24 und 25 zugeführt, von denen der Verstärker 25 einen Rückführkondensator 26 und einen ohmschen Rückführzweig mit einem Schalter 27. der mit dem Tastverhältnis T₀ T gesteuert wird, enthält. Das Ausgangssignal des Verstärkers 25 ist proportional ( I TiT₀) · (T T₀). und dieses Signal wird zu dem Signal addiert (bzw. diesem überlagert), das dem Testverhältnis I T T₀ proportional ist. und zwar mit Hilfe gleicher ohmscher Widerstände 28 und 29 und eines Verstärkers 30. so daß sich das Signal

I ₊ I

40

ergibt. Dieses Signal kann durch einen Spannung Strom-Umformer 31 in einen entsprechenden Strom umgeformt werden, so daß von einer Leitung 32 ein Strom abgenommen werden kann, dessen Abhängigkeit von der Dichte 0 linear bzw. proportional ist.

Die mathematische Funktion für die Uberlragungskennlinie eines bekannten Gasdichte-Umformers lautet dagegen:

60

wobei T₁ eine weitere Konstante ist Diese Abhängigkeit läßt sich mit Hilfe der Schallung nach F 1 g. 4 auf einfache Weise dadurch linearisicren. daß man die relativen Werte der ohmschen Widerstände 28 und 29 Auf diese Weise wurde eine kleine Verschiebung k eingeführt, die leicht dadurch berücksichtigt werden kann, daß man beispielsweise dem Eingang des Verstärkers 31 einen konstanten Kompensationsstrom zuführt.

Derjenige Teil der Schaltung nach F i g. 4. der sich innerhalb der gestrichelten Linie befindet, ist in den Fig. 5 und 6 durch den Block 35 mit der Inschrift »Analoges Netzwerk« dargestellt. Bei der Abwandlung nach F i g. 5 wird das analoge Ausgangssignal in ein Zeichen-Pause-Signal umgeformt, das dann in an sich bekannter Weise zum Multiplizieren eines Signals verwendet werden kann, das von einem Volumendurchflußmesser, ζ. B. einem Turbinendurchflußmesser. erzeugt wird. Die Multiplikation wird dadurch bewirkt, daß von dem Durchfiußmesser erzeugte Impulse einem Tor zugeführt werden, das durch die über die Leitung 38 abgegebenen Zeichen-Pause-Signale betätigt wird. Die Anzahl der vom Tor durchgelassenen impulse ist daher abhängig von dem bzw. ein Maß für das Produkt aus Dichte und Volumendurchfluß, und diese Impulse können gezählt oder integriert werden, um ein digitales oder analoges Maß für den Massendurchfluß zu erhalten.

Der Verstärker30 wird durch Hinzufügen eines Rückführkondensators 36 in einen Integrator umgewandelt, und das Ausgangssignal dieses Verstärkers w ird einer Schmitt-Triggerschaltung 37 zugeführt, die dann ausgelöst wird, wenn das Ausgangssignal des Integrators hinreichend hoch angestiegen ist. Das Ausgangssignal der Trigecrschakung. das auf der Leitung 38 erscheint, ist das Zeichen-Pausc-Signal und steuert einen Schalter 39. Wenn die Triggerschaltung ausgelöst oder »gesetzt« ist. ist der Schalter 39 eingeschaltet, d. h. geschlossen, so daß ein Strom aus der Bezugsquelle 15 über einen veränderbaren ohmschen Widerstand 40 in den Verstärker 30 fließt und den Ausgangsslrom des Netzwerks 35 kompensiert bzw ausgleicht. Die Triggerschallung wird dadurch »zurückgesetzt«, so daß ein zyklischer Betneb erfolgt Der Widerstand 40 ermöglicht die Linstcllung des Maßstabsfaktors. Die Schaltung arbeitet unabhängig vom Wert von V.

Nach I i g. 6 erhält m.m ein ähnliches hrgebnis duidi hrsetzen der Be/ihNsrunnunusiiiiHlc· 15 durch

und wie man sieht, steht T jetzt im Nenner. Diese Funktion Hißt sich wie folgt umschreiben:

wobei jetzt 1 T = T₀ - Γ ist.

F i g. 7 stellt eine Abwandlung der Schaltung nach F j tz. 1 dar. die für den Fall verwendet werden kann, daß" Ti, > T. Bei dem Frequenzteiler 13 handelt es sich hier um eine durch zwei dividierende Schallung, und dem Flipflop 18 ist ein zweites Flipflop 42 parallel geschaltet. Die beiden Flipflops werden durch gegenphasige Ausgangssignale 43 und 44 des Teilers 13 gesetzt, so daß ihre jeweiligen Ausgangssignale den Tastverhältnissen t T/2 T und T_a/2 T entsprechen, wie es in F i ε. 8 dargestellt ist.

einen Durchflußmesser 41, der eine dem Volumendurchfluß proportionale Spannung erzeugt. Das Ausgangssignal des Netzwerks 35 ist daher dem Massendurchfluß proportional.

Die Funktion der Ubertragungskennlinie eines be- s kannten Druckumformers lautet

IO F i g. 9 zeigt ein analoges Netzwerk, das diese Signale zum Linearisieren der Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Druck benutzt. Das Ausgangssignal eines Verstärkers 50 ist proportional dem Quotienten ! T/2 T. und das Ausgangssignal eines Verstärkers 51 ist proportional der Differenz

Vl

"2 T

T_n 2 T

Bei entsprechender Bemessung der Widerstände 28 und 29 ist das Ausgangssignal des Verstärkers 30 proportional dem Ausdruck

17

27

(1

*U

17
2T

Tf"

der sich hier reduziert zu

Wenn hierbei k ■ T₁, = T₁ ist und geeignete Maßnahmen zur Berücksichtigung der konstanten Verschiebung k getroffen sind, ist die Kennlinie des Druck Umformers linear.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 21

1. Elektronische Schaltun- zum Linearisieren der Kennlinie eines Umformers, der eine physikalische Größe in eine Frequenz umformt, mit einem analogen Netzwerk variabler Verstärkung, das bei Ansteuerung mit einem analogen Eingangssignal ein analoges Ausgangssignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler (10) von einem Oszillator (11) abgegebene Impulse m zählt und eine auf das Umformerausgangssignal ansprechende Vorrichtung (13, 14) den Zähler auf einen ersten vorbestimmten Wert beim Auftreffen jedes N-ten Ausgangsimpulses des Umformers zurücksetzt, wobei N = 1 oder eine andere ganze Zahl ist, daß die elektronische Schaltung eine Vor'ichtung (18) zum Erzeugen eines Schaltsignals enthält, das einen von zwei verschiedenen Werten annehmen kann und beim Auftreten jedes N-ten Impulses von dem einen Wert auf den anderen wechselt und jedesmal auf den einen Wert zurückkehrt, wenn der Zählerstand des Zählers einen zweiten vorbestimmten Wert annimmt, und daß das analoge Netzwerk (35) mehrere Schalter (20, 23. 27) enthält, die durch das Schaltsignal derart gesteuert werden, daß die Verstärkung des analogen Netzwerks jedesmal umgeschaltet wird, wenn einer der Schalter geschaltet wird, und die Anordnung so getroffen ist, daß der Mittelwert des analogen Ausgangssignals eine von der Eingangsgröße linear abhängige Form des Umformerausgangssignals darstellt.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß auch das Komplement des Schaltsignals erzeugt wird und das Schaltsignal und dessen Komplement jeweils verschiedene Schalter (20. 23. 27) in dem analogen Netzwerk steuern.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß N = 2 oder ein Vielfaches davon ist und die Sehaltsignalerzeugungsvorrichtung (18, 42) zwei Schaltsignale erzeugt, von denen das eine mit jedem N-ten Impuls auf seinen anderen Wert umgeschaltet wird, während das zweite Schaltsignal mit jedem dazwischen!iegenden Λ-ten Impuls auf seinen anderen Wer! umgeschaltet wird, daß beide Signale jedesmal auf ihren einen Wert zurückkehren, wenn der Zählerstand des Zählers den zweiten vorbestimmten Wert annimmt, und daß die beiden Schaltsignale verschiedene Schalter in dem analogen Netzwerk steuern (F i g. 9).

4. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Netzwerk mindestens einen Zerhackerschalter (20) enthält.

5. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Netzwerk mindestens einen Integrator (21. 22) mit einem Schalter (23) zum Einladen des ho Integrationskondensators enthält.

6. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daIi das analoge Hingangssignal ein fester Be/ugswert ist.

7. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6. f>s gekennzeichnet durch Mittel (30. 36. 37. 39) /um Umsetzen ties analogen Ausgangssignals in ein Zeichen-Pa use-Simial.

₂