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Elektrische Schaltung zum Eliminieren von angefachten Schwingungskomponenten
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Eliminieren von angefachten
Schwingungskomponenten in von einem Wandler abgegebenen elektrischen Ausgangssignalen,
wobei dem Wandler Eingangssignale zugeführt werden, die aus unterschiedlichen Frequenzen
und Amplituden zusammengesetzt sind und die im Wandler in elektrische Ausgangssignale
umgeformt werden, die Schwingungskomponenten aufweisen, die vom Eigenschwingungsverhalten
des Wandlers herrühren.
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Bei der Messung physikalischer Größen, beispielsweise von Druckänderungen,
bedient man sich Geber,
deren Meßsystem stets ein Eigenschwingungsverjhalten
aufweist. Um zu verhindern, daß das Eigenschwingungsverhalten des Gebers den vom
Geber abgegebenen Meßwert beeinflußt, wird üblicher Weise die Eigenfrequenz des
Gebers so gewählt, daß die Frequenz der zu messenden physikalischen Größe wesentlich
geringer ist. Auf diese Weise können die zu messenden physikalischen Größen den
Geber nicht dazu anregen, in seiner Eigenfrequenz zu schwingen. Diese Methode versagt
jedoch, wo sehr steile Änderungen der zu messenden physikalischen Größe auftreten.
Beispielsweise treten bei Messungen des Blutdrucks isk oder nahe demHerzenrelativ
rasche, d.h. steile Druckänderungen auf. Diese steilen Druckänderungen regen die
Meßmembran des Gebers dazu an, in ihrer Eigenfrequenz zu schwingen. Um diese Störungen
gering zu halten, kann man am Geber eine entsprechende Dämpfung vorsehen. Hierbei
besteht jedoch die Gefahr, daß infolge einer zu großen Dämpfung der Geber nicht
auf alle zu messenden Druckänderungen einwandfrei anspricht, d.h. das Gebersystem
wird zu träge, um den Änderungen der zu messenden physikalischen Größe einwandfrei
folgen zu können. Bei bestimmten Anwendungsfällen, insbesondere bei der Blutdruckmessung
im oder nahe dem Herzen ist es zudem nicht möglich, den Geber auf die vorgenannte
Weise zu verändern.
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Im vorgenannten Anwendungsfall bei der Blutdruckmessung ist zudem
ein Gebersystem zu betrachten, welches aus dem eigentlichen Geber und einer die
Druckänderungen übertragenden Flüssigkeitssäule besteht.
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Die Drucktransmission über die Flüssigkeitssäule eines Katheters bewirkt,
daß die nur langsam abklingende Eigenschwingung des Wandlers in tiefere Frequenzbereiche
verschoben wird.aSse Drucktransmission bewirkt
also eine nicht kalkulierbare
Dämpfung. Bei diesen Betrachtungen ist zu berücksichtigen, daß die Eigenschwingungen
des schwingungsfähigen Systems aus Geber und Flüssigkeitstransmissionssäule nur
sehr kurzzeitig angeregt werden. Dies bedeutet, daß das zu registrierende Signal
im Gegensatz zum Eingangs signal für den Geber gedämpfte, d.h. allmählich abklingende
Schwingungen aufweist. Diese gedämpften Schwingungen können jedoch nicht ohne wesentliche
Meßwertverfälschung mittels elektrischer Schwingkreise ausgefiltert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die durch das Eigenschwingungsverhalten
des Wandlers bedingte Schwingungskomponenten im Ausgangssignal des Wandlers zu eleminieren
und die im Übertragungsweg des Wandlers verlorengeheuden hohen Frequenzen wiederzugewinnen.
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z einer elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art wird dies
dadurch erreicht, daß ein der Schwingungsgleichung E = y'' + ay' + By folgender
Analogrechner vorgesehen ist, der auf das Eigenschwingungsverhalten des Wandlers
abstimmbar ist und Ausgangssignale y abgibt, die zusammen mit den Ausgangssignalen
yO des Wandlers einem Komparator zugeführt werden, dessen Ausgangssignale E als
zu den Eingangs signalen E proportionale Signale dem Ein-0 gang des Analogrechners
zugeführt werden. Eine weitere Lösungsmöglichkeit im Rahmen des gleichen Erfindungsgedankens
liegt darin, einen Analogrechner vorzusehen, der auf das Eigenschwingungsverhalten
des Wandlers abstimmbar ist und von den Ausgangssignalen yO des Wandlers beaufschlagt
wird und zu den Eingangssignalen Eo proportionale Ausgangssignale E abgibt, die
mindestens näherungsweise der Gleichung E = yO " + ayO' + byO genügen. Der Analogrechner
nach der ersten Lösung arbeitet mit Integrierschaltungen, während der zweite Analogrechner
mit Differenzierschaltungen wirkt.
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Zwei Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung
erläutert. Es zeigen: Die Figur i ein Beispiel der ersten Lösungsmöglichkeit.
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Die Figur 2 ein Beispiel der zweiten Lösungsmöglichkeit und die Figur
3 den Signalverlauf beim Auftreten von Testsignalen.
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Bei der Schaltung nach Fig. 1 stellt der Block 1 das Gebersystem
dar, bei welchem es sich im gezeigten Beispiel um einen Druckgeber mit einer Flüssigkeit
5-transmissionssäule handelt. Das ßebersystem 1 wird mit Drucksignalen Eo beaufschlagt,
wobei diese Drucksignale ein breites Frequenz- und Amplitudenspektrum aufweisen.
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Das Gebersystem 1 wandelt die Drucksignale E um in elek-0 trische
Signale yo. Diese elektrischen Signale yO sind hierbei verfälscht gegenüber dem
Verlauf der Eingangssignale Eo, und zwar weisen sie Schwingungskomponenten auf,
die durch das Eigenschwingungsverhalten des Geb er systems 1 verursacht sind. Hierbei
handelt es sich in erster Linie um gedämpfte Schwingfingen, die vom Eingangssignal
E 0 angefacht werden und in denen die hohen Frequenzanteile von Eo untergehen. Das
verfälschte Signal yO wird einem Komparator 2 zugeführt. Am zweiten Eingang des
Komparators liegt ein Signal y an. Dieses Vergleichssignal y wird wie folgt erzeugt;
Vom Ausgang des Komparators 2 wird ein Signal E abgegriffen. Dieses Signal E wird
an den Eingang einer Summierschaltung 3 gegeben. Die Summierschaltung 3
erzeugt
(ohne Berücksichtigung des Vorzeichens) ein Signal y". Dieses Signal y" wird einem
Integrator 4 zugeführt, der ein Signal -y' bildet. Dieses Signal -y' wird abermals
integriert in einem zweiten Integrator 5, so daß an dessen Ausgang ein Signal y
liegt. Dieses Signal y wird dem zweiten Eingang des Komparators 2 zugeführt. Über
eine Invertierschaltung 6 wird eine Zeichenumkehr des Vorzeichens des Signals y
vorgenommen, so daß am Ausgang der Invertierschaltung ein Signal -y liegt. Dieses
Signal -y wird in der Schaltung 8 mit dem veränderbaren Faktor b multipliziert,
wobei das dann entstehende Signal -by am zweiten Eingang der Summierschaltung 3
liegt.
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Vom Ausgang der ersten Integrierschaltung 4 wird das Signal -y' abgegriffen
und der Schaltung 7 zugeführt, wo es um den Faktor a multipliziert wird. Das sich
ergebende Signal -ay' wird dem dritten Eingang der Summierschaltung 3 zugeführt.
Im praktischen Ausführungsbeispiel können die Summierschaltung 3 und der Integrator
4 zusammengefaßt werden, da die Eingänge E, -ay'und -by bereits den Summenwert y"
darstellen, der zu integrieren ist. Bei den Schaltungen 7 und 8 handelt es sich
vorzugsweise um Potentiometer, an denen der a-fache Betrag von -y' bzw. der b-fache
Betrag von -y abgegriffen wird.
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Sind die veränderbaren Faktoren a und b entsprechend auf das Gebersystem
1 abgestimmt, dann tritt am Ausgang des Komparators 2 ein SignalEauf, das identisch
ist mit dem physikalischen Eingangssignal Eo des Gebersystems t.
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Dieses Signal E enthält somit wieder die auf dem Übertragungsweg des
Gebers verlorengegangenen hohen Frequen zanteile und ist von den störenden Schwingungen
wieder befreit.
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Die diesem elektrischen System zugrundeliegenden mathematischen Grundlagen
sind folgende: Zwischen dem Eingangs signal E und dem AUS$a11gSSig-0 nal yO des
Gebersystems 1 herrscht folgende Beziehung Eo = d²yo/dt² + adyo/dt + byo = yttO
+ ayO + byO
In gleicher Weise wird über den Analogrechner 3 bis
8 die Beziehung hergestellt E = d2y/dt2 + ady/dt + by = y" + ay' + by Dies bedeutet
also, daß der Analogrechner 3 bis 8 mit einem Eingangssignal E beaufschlagt wird,
analog dem Signal E beim Gebersystem 1, und ein Ausgangs-0 signal y abgibt, analog
dem Ausgangssignal y0 des Gebersystems 1, wobei das Ausgangssignal y des Analogrechners
der vorgenannten Gleichung genügt.
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Werden nun die Faktoren a und b des Analogrechners 3 bis 8 80 abgestimmt,
daß das Signal y gleich dem Signal yO ist, ist gewährleistet, daß das Ausgangssignal
E am Komparator gleich dem Eingangssignal Eo am Gebersystem 1 ist. Das Signal E
kann somit registriert werden , ohne daß es verfälschende Schwingungskomponenten
aufweist.
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Um den erforderlichen Abgleich des Analogrechners 3 bis 8 bezüglich
der Faktoren a und b im Hinblick auf das Gebersystem 1 vornehmen zu können, wird
wie folgt vorgegangen: Das Gebersystem 1 wird mit einer Folge von Rechtecksignalen
beaufschlagt. In Fig. 3 ist die Anstiegsflanke eines Rechtecksignals dargestellt.
Die am Ausgang des Komparators 2 auftretenden Signale E werden beobachtet. Sodann
werden die Faktoren a und b so weit verstellt, bis das Ausgangssignal E ebenfalls
die Form einer Folge von Rechteckimpulsen aufweist, die also frei von verfälschenden
Schwingungen sind, wie sie beim Signal yO noch vorhanden sind. Die Verwendung von
Rechteckimpulsen ist deshalb dienlich, da nach der
Fourier-Reihe
die herbei auftretenden Rechtecksprünge ein breites Spektrum von Sinus-Schwingungen
bis zu hohen Frequenzen enthalten.
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Wie schon zuvor erwähnt, folgt der Analogrechner 3 bis 8 der Gleichung
E = y" + ay' + by.
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Bei der Eingangsschaltung 3 ist die Gleichung = = E - by - ay' verwirklicht.
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Im Gegensatz zur Vergleichsschaltung nach Fig.
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1 arbeitet die Schaltung nach Fig. 2 mit Differenzierschaltungen.
Die zu messende physikalische Größe Eo wird im Wandlersystem 1 verfälscht. Am Ausgang
des Wandlersystems 1 tritt ein Wert y0 auf, der Schwingungskomponenten aufweist,
die durch das Eigenschwingungsver halten des Wandlersystems 1 bedingt sind. Der
Wert yO wird einer Differenzierschaltung 9 zu geführt, an deren Ausgang das differenzierte
Signal dyO/dt = yO' auftritt.
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Der Wert yO' wird einer weiteren Differenzierschaltung 10 zugeführt,
welche das Differenzial d2yO/dt2 = y011 bildet. Das Signal y011 liegt an einem der
drei Eingang ge der Summierschaltung 11. Vom Ausgang des Gebersystems 1 wird der
Wert yO abgegriffen, um in der Schaltung 8' mit dem Faktor b multipliziert. Der
Wert byO liegt als weiterer Eingang an der Summierschaltung 11 an. Letztlich wird
vom Ausgang der Differenzierschaltung 9 der Wert yO' abgegriffen und in der Schaltung
7' mit dem Faktor a multipliziert. Das Signal ayO' liegt als dritter Eingang an
der Summierschaltung 11
an. Die summi-rtn Wert. byO, ayo' und yO"
ergeben den Ausgangswert E der Summierschaltung 11. Wenn die Faktoren a und b in
entsprechender Weise auf das Gebersystem 1 abgeglichen sind, dann ist der Verlauf
des Ausgangssignals E identisch mit dem Verlauf des Eingangssignals E 0 Die vorliegende
Beschreibung der Schaltung nach Fig. 2 läßt eine eventuelle Vorzeichenumkehr unberücksichtigt.
Im praktischen Ausführungsbeispiel liegt am Ausgang der Schaltung 9 das Signal -yO'.
Das Signal yO" vom Ausgang der Schaltung 10 durchläuft eine Invertierschaltung,
so daß am ersten Eingang der Summierschaltung 11 das Signal -yo" liegt. Der abgegriffene
Wert yO, der mit dem Faktor b multipliziert wird, durchläuft ebenfalls eine Invertierschaltung,
ao daß am dritten Eingang der Schaltung 11 das Signal -by0 liegt. Nach Multiplikation
mit dem Faktor a liegt am zweiten Eingang der Schaltung 11 das Signal -ayO'. An
den Eingangen der Schaltung 11 liegen somit -yO§ und -ay und -by, so daß nach einer
Vorzeichenumkehr in der Summierschaltung 11 am Ausgang der Wert +E liegt.
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Der Abgleich des Systems nach Figur 2 erfolgt in gleicher Weise wie
beim System nach Figur 1. Verzugsweise werden Einggangsaignale Eo in Form von Rechteckimpulsen
dem Gebersystem 1 zugeführt. Die Faktoren a und b werden so lange verändert, bis
der Ausgangswert E ebenfalls die Form von Rechteckimpulsen aufweist.
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In beiden Fällen, d.h. sowohl beim System nach Figur 1 als auch beim
System nach Figur 2 ist der Faktor a dämpfungsbestimmend und der Faktor b frequenzbestimmend.
Ansprüche