DE2216111B2 - Elektrische schaltung zum eliminieren von angefachten schwingungskomponenten - Google Patents

Description

₅₅ , 4)

2 dadurch

8 dadurch

Summierschaltung als Signa, -ay. zugeführt

Schaltung nach einem oder mehreren der bif 10, dadurch gekennzeichnet, daß dVmWandler (1) eine Folge eines Eingangssignal* £ Tn Form einer senkrechten Anstiegs- und Abfalinanke mit sich anschließendem konstanten Ver auf zugeführt wird und der Analogrechner (3 L· βϊ™τ 8' 9 10 11) hierbei bezuglich der SktoSaund't^gestimmt wird, bis das Ausgangssignal E den Verlauf des Eingangssignal E₀ "abschaltung nach Anspruch 5 6. 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Fakiren α und b durch Potentiometer geb.ldet werden.

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Elfminieren von angefachten Schwingungskomponemen in von einem Wandler abgegebenen eektr,-schen Ausgangssignalen, wobei dem Wandler EmaanEssifinale zugeführt werden, die aus unterschiedl,-rfF?equenze⁸n und Amplituden zusammengesetzt sind und die im Wandler in elektrische Ausgangss,-anale umgeformt werden, die Schwingungskomponenten aufweisen, die vom Eigenschw.ngungsverhalten des Wandlers herrühren. . · · ,

Bei der Messung physikalischer Größen, beisp.els weise vonDruckänderungen.bedientmansich Geber, deren Meßsystem stets ein Eigenschwmgungsverhalaufweist Um zu verhindern, daß das Eigen-,ingungsverhalten des Gebers den vom Geber ab-■ Meßwert beeinflußt, wird üblicherweise

trequenz des Gebers so gewählt, daß die der zu messenden physikalischen Große __:—,_{r ist} Auf diese Weise können die 1 pnysikalischen Größen den Geber nicht dazu anregen, in seiner Eigenfrequenz zu schwingen.

Diese Methode versagt jedoch, v/o sehr steile Änderungen der zu messenden physikalischen Größe auftreten. Beispielsweise treten bei Messungen des Blutdrucks im oder nahe dem Herzen relativ 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 Blutdruckmessung im oder nahe dem Herzen, ist es zudem nicht möglich, den Geber auf die vorgenannte Weise zu verändern.

Im vorgenannten Anwendungsfall bei der Blutdruckmessung ist zudem ein Gebersystem zu betrachten, welches aus dem eigentlichen Geber und einer die Druckänderungen übertragenden Flüssigkeitssäule besteht. Die Drucktransmission über die Flüssigkeitssäule eines Katheters bewirkt, daß die nur langsam abklingende Eigenschwingung des Wandlers in tiefere Frequenzbereiche verschoben wird. Diese 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 Eingangssignal für den Geber gedämpfte, d.h. allmählich abklingende Schwingungen aufweist. Diese gedämpften Schwingungen können jedoch nicht ohne wesentliche Meßwertverfälschung mittels elektrischer Schwingkreise ausgefiltert werden.

Bei einer Einrichtung zum Messen eines Nutzsignals, dem ein Störsignal überlagert ist, werden Nutzsignal und Störsignal Wandlern zugeführt, die jeweils über Filter an eine Integrationsschaltung angeschlossen sind. Die Wandlerausgangssignale werden aufeinanderfolgend integriert. Hierbei soll das Störsignal kompensiert werden, um ein möglichst genaues Nutzsignal zu erhalten. Bei dieser Einrichtung bleiben jedoch eventuelle durch das Eigenschwingungsverhalten der Wandler bedingte Schwingungskomponenten im Ausgangssignal der Wandler unberücksichtigt.

Um das Schwingungsverhalten eines Schwingungssystems nachbildbar zu machen, sind bereits Analogrechner bekannt, welche der Schwingungsgleichung E = y" + ay" + by folgen. Hierdurch kann das Übertragungsverhalten eines Gebers durch einen Rechner simuliert werden.

Es sind auch Regelkreise bekannt, welche u. a. ein Abtastglied und ein Korrekturglied enthalten. Durch das Abtastglied wird eine Regelabweichung in periodischen Abständen abgetastet, so daß die abgetastete Regelabweichung einen treppenförmigen Verlauf aufweist. Im Korrekturglied wird die abgetastete Regelabweichung in eine für das Stellglied der Regelstrecke geeignete Stellgröße umgewandelt. Das Verhalten des Korrekturglieds folgt entweder einer Differential- oder einer Differenzengleichung. Das Problem des Eliminierens angefachter Schwingungskomponenten tritt hierbei nicht auf, da in periodischen Abständen immer nur die augenblicklichen Amplitudenwerte der Regelabweichung erfaßt werden, deren Übertragung vom Eigenschwingungsverhalten des Abtastgliedes nicht beeinflußt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die durch da* Eigenschwingungsverhalten des Wandlers bedingte Schwingungskomponente im Ausgangssignal des Wandlers zu eliminieren und die im Übertragungsweg des Wandlers verlorengehenden hohen Frequenzen wiederzugewinnen.

ίο Bei einer elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art wird dies dadurch erreicht, daß ein an sich bekannter der Schwingungsgleichung E = y" + ay' + by folgender Analogrechner vorgesehen ist, der durch Einstellen der Faktoren α und b auf das Eigenschwingungsverhalten des Wandlers abstimmbar ist und Ausgangssignale α abgibt, die zusammen mit den Ausgangssignalen y_o des Wandlers einem Komparator zugeführt werden, dessen Ausgangssignale E als zu den Eingangssignalen E₀ proportionale Signale dem Eingang des Analogrechners zugeführt werden.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit im Rahmen des gleichen Erfindungsgedankens liegt darin, einen Analogrechner vorzusehen, der von den Ausgangssignalen y_o des. Wandlers beaufschlagt wird und zu den Eingangssignalen E₀ proportionale Ausgangssignale £ abgibt, die mindestens näherungsweise der Gleichung E = y_o" + ay_o + by_a genügen und der durch Einstellen der Faktoren α und b auf das Eigenschwingungsverhalten des Wandlers abstimmbar ist.

Der Analogrechner nach der ersten Lösung arbeitet mit Integrierschaltungen, während der zweite Analogrechner mit Differenzierschaltungen betrieben wird.

Mit der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist es auf einfache Weise möglich, ein Ausgangssignal E zu erhalten, dessen Verlauf proportional zu dem Verlauf des Eingangssignais E₀ des Wandlers ist. Die Schaltungsanordnung wird hierzu auf das Eigenschwingungsverhalten des Wandlers abgestimmt, indem ein Eingangssignal E₀ bekannten Verlaufs dem Wandler zugeführt wird und sodann die Faktoren a und b, welche in der Schaltungsanordnung vorzugsweise Potentiometer darstellen, so verändert werden, bis das Ausgangssignal £ der Schaltung einen dem Verlauf des Eingangssignals £ entsprechenden Verlauf zeigt.

Zwei Ausführungsbeispiele werden nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Beispiel der ersten Lösungsmöglichkeit, Fig. 2 ein Beispiel der zweiten Lösungsmöglichkeit und

Fig. 3 den Signalverlauf beim Auftreten von Testsignalen.

Beider Schaltung nach Fig. 1 stellt der Block 1 das Gebersystem dar, bei welchem es sich im gezeigten Beispiel um einen Druckgeber mit einer Flüssigkeitstransmissionssäule handelt. Das Gebersystem 1 wird mit Drucksignalen E₀ beaufschlagt, wobei diese

bu Drucksignale ein breites Frequenz- und Amplitudenspektrum aufweisen. Das Gebersystem 1 wandelt die Drucksignale E₀ um in elektrische Signale y_o. Diese elektrischen Signale y_o sind hierbei verfälscht gegenüber dem Verlauf der Eingangssignale E₀, und zwar weisen sie Schwingungskomponenten auf, die durch das Eigenschwingungsverhalten des Gebersystems 1 verursacht sind. Hierbei handelt es sich in erster Linie um gedämpfte Schwingungen, die vom Eingangssignal

E₀ angefacht werden und in denen die hohen Frequenzanteile von E₀ untergehen. Das verfälschte Signal y_o wird einem Komparator 2 zugeführt. Am zweiten Eingang des Komparators liegt ein Signal y an. Dieses Vergleichs^ignal 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. 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 α-fache Betrag von — y' bzw. der b-fache Betrag von

— y abgegriffen wird.

Sind die veränderbaren Faktoren α und b entsprechend auf das Gebersystem 1 abgestimmt, dann tritt am Ausgang des Komparators 2 ein Signal E auf, das identisch ist mit dem physikalischen Eingangssignal E₀ des Gebersystems 1. Dieses Signal E enthält somit wieder die auf dem Übertragungsweg des Gebers verlorengegangenen hohen Frequenzanteile und ist von den störenden Schwingungen wieder befreit.

Die diesem elektrischen System zugrundeliegenden mathematischen Grundlagen sind folgende:

Zwischen dem Eingangssignal E₀ und dem Ausgangssignal y_n des Gebetsystems 1 herrscht folgende Beziehung

E₀ = d²yjdt² + adyjdt + by_B

= y" + ay_o' + by_o

In gleicher Weise wird über den Analogrechner 3 bis 8 die Beziehung hergestellt

E = d²y/dir + ady/dt + by = y" + ay' + by

Dies bedeutet also., daß der Analogrechner 3 bis 8 mit einem Eingangssignal E beaufschlagt wird, analog dem Signal E₀ beim Gebersystem 1, und ein Ausgangssignal y abgibt, analog dem Ausgangssignal y_o des Gebersystems 1, wobei das Ausgangssignal y des Analogrechners der vorgenannten Gleichung genügt.

Werden nun die Faktoren α und b des Analogrechners 3 bis 8 so abgestimmt, daß das Signal y etwa gleich dem Signal y_B ist, ist gewährleistet, daß das Ausgangssignal E am Komparator gleich dem Eingangssignal E₀ am Gebersystem 1 ist. Das Signa! E kann somit registriert werden, ohne daß es verfälschende Schwingungskomponenten aufweist.

Um den erforderlichen Abgleich des Analogrechners 3 bis 8 bezüglich der Faktoren α 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 α und b so weit verstellt, bis das

ίο Ausgangssignal E ebenfalls die Form einer Folge von Rechteckimpulsen aufweist, die also frei von verfälschenden Schwingungen sind, wie sie beim Signal y_o noch vorhanden sind. Die Verwendung von Rechteckimpulsen ist deshalb dienlich, da nach der Fou-

!₅ rier-Reihe die hierbei auftretenden Rechtecksprünge ein breites Spektrum von Sinus-Schwingungen bis zu hohen Frequenzen enthalten.

Wie schon zuvor erwähnt, folgt der Analogrechner 3 bis 8 der Gleichung

E= y" + ay' + by.
Bei der Eingangsschaltung 3 ist die Gleichung

y" = E — by — ay'

verwirklicht.

Im Gegensatz zur Vergleichsschaltung nach Fig. 1 arbeitet die Schaltung nach Fig. 2 mit Differenzierschaltungen. Die zu messende physikalische Größe E₀ wird im Wandlersystem 1 verfälscht. Am Ausgang des Wandlersystems 1 tritt ein Wert y_o auf, der Schwingungskomponenten aufweist, die durch das Eigenschwingungsverhalten des Wandlersystems 1 bedingt sind. Der Wert y_a wird einer Differenzierschaltung 9 zugeführt, an deren Ausgang das differenzierte Signal dyjdt — y_o' auftritt. Der Wert y₀' wird einer weiteren Differenzierschaltung 10 zugeführt, welche das Differenzial d²y/dt² = y_o" bildet. Das Signal y_o" liegt an einem der drei Eingänge der Summierschaltung 11. Vom Ausgang des Gebersystems 1 wird der Wert y„

₍₀ abgegriffen und in der Schaltung 8' mit dem Faktor b multipliziert. Der Wert by_o liegt als weiterer Eingang an der Summierschaltung 11 an. Letztlich wird vom Ausgang der Differenzierschaltung 9 der Wert y_o' abgegriffen und in der Schaltung T mit dem Faktor a multipliziert. Das Signal ay_o liegt als dritter Eingang an der Summierschaltung 11 an. Die summierten Werte by_o, ay_o und y_o" ergaben den Ausgangswert E der Summierschaltung 11. Wenn die Faktoren α und b in entsprechender Weise auf das Gebersystem 1 abgeglichen sind, dann ist der Verlauf des Ausgangssignals E identisch mit dem Verlauf des Eingangssignals E₀. Die vorliegende Beschreibung der Schaltung nach Fig. 2 läßt eine eventuelle Vorzeichenumkehr unberücksichtigt. Im praktischen Ausführungsbeispiel liegt am Ausgang der Schaltung 9 das Signal — y_o\ Das Signal y_o" vom Ausgang der Schaltung 10 durchläuft eine Invertierschaltung, so daß am ersten Eingang der Summierschaltung 11 das Signal — y_o" liegt. Der abgegriffene Wert y_o, der mit dem Faktor b multipliziert wird, durchläuft ebenfalls eine Invertierschaltung, so daß am dritten Eingang der Schaltung 11 das Signal

— by_o liegt. Nach Multiplikation mit dem Faktor a liegt am zweiten Eingang der Schaltung 11 das Signal

— ay_o. An den Eingängen der Schaltung 11 liegen somit — y_o" und — ay_o und — by, so daß nach einer Vorzeichenumkehr in der Summierschaltung 11 am Ausgang der Wert + E liegt.

Der Abgleich des Systems nach Fig. 2 erfolgt in

gleicher Weise wie beim System nach Fig. 1. Vorzugsweise werden Einganggssignale E_n in Form von Rechteckimpulsen dem Gebersystem 1 zugeführt. Die Faktoren α und b werden so lange verändert, bis der Ausgangswert E ebenfalls die Form von Rechteckim-

pulsen aufweist.

In beiden Fällen, d.h. sowohl beim Fig. 1 als auch beim System nach Fig. ί lor α dampfungsbestimmend und der 1 qucnzbestimmend.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung zum Eliminieren von angefachten Schwingungskomponenten ir. von ei- 5 nem Wandler abgegebenen elektrischen Ausgangssignalen y_o, wobei dem Wandler Eingangssignale E₀ zugeführt werden, die aus unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden zusammengesetzt sind und die im Wandler in elektrische Ausgangssignale y_o umgeformt werden, die Schwingungskomponenten aufweisen, die vom Eigenschwingungsverhalten des Wandlers herrühren, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter, der Schwingungsgleichung E — y" + ay' + by folgender Analogrechner (3 bis 8) vorgesehen ist, der durch Einstellen der Faktoren α und b auf das Eigenschwingungsverhalten des Wandlers (1) abstimmbar ist und Ausgangssignale y abgibt, die zusammen mit den Ausgangssignalen y_o des Wandlers (1) einem Komparator (2) zugeführt werden, dessen Ausgangssignale E als zu den Eingangssignalen E₀ proportionale Signale dem Eingang des Analogrechners (3 bis 8) zugeführt werden.

2. Elektrische Schaltung zum Eliminieren von angefachten Schwingungskomponenten in von einem Wandler abgegebenen elektrischen Ausgangssignalen y_o, wobei dem Wandler Eingangssignale E₀ zugeführt werden, die aus unterschiede chen Frequenzen und Amplituden zusammengesetzt sind und die im Wandler in elektrische Ausgangssignale y_o umgeformt werden, die Schwingungskomponenten aufweisen, die vom Eigenschwingungsverhalten des Wandlers herrühren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analogrechner (7', 8', 9, 10, 11) vorgesehen ist, der von den Ausgangssignalen y_o des Wandlers (1) beaufschlagt wird und zu den Eingangssignalen e_o proportionale Ausgangssignale E abgibt, die mindestens näherungsweise der Gleichung E — y_o" + ay_o + by_o genügen und der durch Einstellen der Faktoren α und b auf das Eigenschwingungsverhalten des Wandlers (1) abstimmbar ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an sich bekannte Analogrechner eine Summierschaltung (3) zum Summieren dreier Signale E, — ay' und - by aufweist, die ein Summensignal y" bildet, das einer ersten Integrierschaltung (4) zur Bildung des Integrals/y7 zugeführt wird und dieses integrierte Signal/y7 einer zweiten Integrierschaltung (5) zur Bildung des Integrals IyI zugeführt wird.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale E, — ay' und — by direkt der ersten Integrierschaltung (4) zur Bildung des Integrals y' = — f {E—ay'— by)dt zugeführt werden.

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte Signal y' durch den einstellbaren Faktor α verändert als Signal — ay' dem Eingang der Summierschaltung (3,

4) zugeführt wird.

6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte Signal y durch den einstellbaren Faktor b verändert als Signal

- by dem Eingang der Summierschaltung (3, 4)

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