DE2237596C3 - Anordnung zur Messung von Gasdruck, insbesondere von dem von der Höhe abhängigen Atmosphärendruck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Gasdruck, insbesondere von dem von der Höhe abhängigen Atmosphärendruck, mit einem Oszillator, welcher ein mechanisches Schwingelement aufweist, dessen Schwingfrequenz durch den Druck des dieses Schwingelement umgebenden Gases beeinflußt wird, mit einer Auswerteschaltung, welche die Schwingfrequenz des Oszillators auswertet, wobei die Auswerteschaltung einen mit der Schwingfrequenz des Oszillators gespeisten Verzerrerschaltungsteil enthält, der eine Übertragungskennlinie hat, welche die Funktion approximiert, mit der die Schwingfrequenz des Oszillators von dem Gasdruck — und wenn dieser eine Funktion der Höhe ist — von der Höhe der Anordnung abhängt, so daß das Ausgangssignal des Verzerrerschaltungsteiies ein direktes Maß für den Gasdruck bzw. die Höhe ist.

Eine derartige Anordnung ist bekannt (US-PS 36 68 930). Bei dieser bekannten Anordnung wird als mechanisches Schwingelement eine Druckdose verwendet. Die Verzerrerschaltung einer solchen Druckdose weist eine logarithmische Kennlinie auf. Die Verzerrerkennlinie besteht aus einem Stück. Die Druckdichte ändert bei unterschiedlicher Dichte des sie umgebenden Mediums ihre Form, wodurch sich ihre mechanische Eigenresonanz ändert. Ersatzbildmäßig stellt sich die Dose als Serienresonanzkreis dar. Dieser Serienresonanzkreis liegt zwischen zwei Übertragerspulen und verändert den Kopplungsfaktor. Die logarithmische Kennlinie der Verzerrerschaltung ergibt sich aus den zuletzt erwähnten Abhängigkeiten unter Berücksichtigung der bekannten Änderung des Luftdruckes in Abhängigkeit von der Höhe. Die Arbeitsweise der bekannten Anordnung erfolgt in mindestens zwei Zeitintervallen, d. h. diskontinuierlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen A^rt so zu gestalten, daß ihre Meßgenauigkeit erhöht und eine kontinuierliche, d. h. nahezu trägheitslose Arbeitsweise gewährleistet wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als mechanisches Schwingelement eine Stimmgabel verwendet ist und daß der Verzerrerschaltungsteil so ausgebildet ist, daß die Übertragungskennlinie aus mindestens zwei ineinander übergehenden Hyperbel-Teilstücken zusammengesetzt ist.

Die höhere Genauigkeit wird durch die Approximation der Übertragungskennlinie des Verzerrerschaltungsteiies aus mindestens zwei ineinander übergehenden Hyperbel-Teilstücken erreicht. Dii Abhängigkeit der Stimmgabel-Frequenz vom Druck des sie umgebenden Mediums ist weitgehend linear. Dadurch braucht mit der Verzerrerschaltung im wesentlichen nur die Abhängigkeit der Höhe vom Druck approximiert ft.s werden, was durch mindestens zwei Hyperbel-Teilstükke ohne Schwierigkeiten möglich ist. Die Hyperbel-Annroximation ist auch mit einer kontinuierlich arbeitenden Vcrzerrerschaltung erreichbar, so daß ein nahezu trägheitsloses Arbeiten der Anordnung, d.h. eine sofortige Anzeige schneller Änderungen möglich ist.

Bemerkenswert ist noch, daß die Stimmgabel im Gegensatz zu einer Druckdose ersatzbildmäßig einen Parallelresonanzkreis darstellt, der durch die Dichte des umgebenden Mediums unterschiedlich gedämpft wird und dessen Resonanzfrequenz sich infolge des unterschiedlichen Dämpfungswiderstandes verändert. Auch die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist also unterschiedlich gegenüber derjenigen der bekannten Anordnung.

Eine praktische Möglichkeit zur Realisierung einer Übertragungskennlinie aus mindestens zwei Hyperbel-Teilstücken kann darin bestehen, daß der Verzerrerschaltungsteil einen ersten Verhältnisvervielfacher, genannt VV, und einen ersten Vorwärts-Rückwärts-Zähler, genannt VRZ, enthält, daß dem Impulseingang des ersten VV Impulse zugeführt werden, deren Frequenz von der Frequenz des druckabhängigen Oszillators abhängt, daß der Impulsausgang des ersten VV mit dem Rückwärts-Zähleingang des ersten VRZ gekoppelt ist, daß dem Vorwärts-Zähleingang des ersten VRZ Impulse mit einer konstanten Frequenz zugeführt werden, daß die Parallel-Ausgänge des ersten VRZ mit den entsprechenden Parallel-Steuereingängen des ersten VV verbunden sind, daß an den Parallel-Ausgängen des ersten VRZ das Ausgangssignal, welches ein direktes Maß für die Höhe ist, in Form von parallelen Binär-lnformationen entnehmbar ist, daß der Vorwärts-Zähleingang des ersten VRZ mit dem Impulsausgang eines dritten VV verbunden ist, dessen Impulseingang Impulse mit einer konstanten Frequenz zugeführt werden, daß die Parallel-Steuereingänge des dritten VV mit einem ersten Umschalter verbunden sind, dem mindestens zwei verschiedene konstante Binär-lnformationen in Parallelform zugeführt werden, welche die Krümmungen der ineinander übergehenden Hyperbel-Teilstücke bestimmen, daß mit dem Impulseingang des ersten VV der Ausgang eines ersten ODER-Verknüpfungsgliedes verbunden ist, daß dem einen Eingang des ersten ODER-Verknüpfungsgliedes Impulse zugeführt werden, deren Frequenz von der Frequenz des druckabhängigen Oszillators abhängt, daß der andere Eingang des ersten ODER-Verknüpfungsgliedes mit dem Impulsausgang eines vierten VV verbunden ist, dessen Impulseingang Impulse mit einer konstanten Frequenz zugeführt werden, daß die Parallel-Steuereingänge des vierten VV mit einem zweiten Umschalter verbunden sind, dem mindestens zwei verschiedene konstante Binär-lnformationen in Parallelform zugeführt werden, welche die Verschiebung des einen Hyperbel-Teilstückes in der dem Gasdruck entsprechenden Koordinatenrichtung zum Übergangspunkt der beiden Hyperbel-Teilstücke bestimmt, daß mit dem lmoulseingang des ersten VV der Impulseingang eines fünften VV verbunden ist, dessen Impulsausgang mit dem einen Eingang eines zweiten ODER-Verknüpfungsgliedes verbunden ist, daß der zweite Eingang des zweiten ODER-Verknüpfungsgliedes mit dem impulsausgang des ersten VV verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten ODER-Verknüpfungsgliedes mit dem Rückwärts-Zähleingang des ersten VRZ verbunden ist, daß die Parallel-Steuereingänge des fünften VV mit einem dritten Umschalter verbunden sind, dem mindestens zwei verschiedene konstante Binär-lnformationen in Parallelform zugeführt werden, welche die Verschie-

bung des anderen Hyperbel-Teilstückes in der der Höhe entsprechenden Koordinate zum Übergangspunkt der beiden Hyperbel-Teilstücke bestimmt, daß der erste, zweite und dritte Umschalter gemeinsam mit einor Umschalt-Einrichtung verbunden sind, daß die Umschalteinrichtung von einem Frequenz-Diskriminator gesteuert ist, und daß dem Frequenz-Diskriminator Impulse zugeführt werden, deren Frequenz von der Frequenz des druckabhängigen Oszillators abhängt, und daß der Umschlagpunkt des Diskriminators bei der Frequenz liegt, die dem Übergangspunkt der Hyperbel-Teilstücke entspricht.

Es ist insbesondere zu bemerken, daß der beschriebene Verzerrerschaltungsteil kontinuierlich im Sinne der Aufgabenstellung arbeitet.

Die Parallel-Ausgänge des ersten VRZ können mit einer Ziffernanzeige-Vorrichtung und/oder einer datenverarbeitenden Einrichtung verbunden werden, welche die Höheninformation auswertet oder über Kommunikationswege weiterleitet. Dadurch, daß die Höheninformation hier in Form eines elektrischdigitalen Wertes ermittelt wird, eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung besonders zur automatischen Höhenrückmeldung, wie sie die Flugsicherung für einige Gruppen von Flugzeugen vorschreibt.

Der in der erwähnten Weise aus einem VV und einem VRZ zusammengesetzte Frequenzverhältnis-Detektor bringt darüber hinaus den Vorteil mit sich, daß mit ihm nicht nur die Flughöhe, sondern auch die Vertikal-Geschwindigkeit eines Luftfahrzeuges in einfacher Weise ermittelt werden kann. Das ist dadurch möglich, daß der Rückwärts-Zähleingang des ersten VRZ mit dem Vorwärts-Zähleingang eines zweiten VRZ verbunden ist, daß der Rückwärts-Zähleingang des zweiten VRZ mit dem Impulsausgang eines zweiten VV verbunden ist, daß der Impulseingang des zweiten VV mit dem Vorwarts-Zahleingang des ersten VRZ verbunden ist, daß die Parallel-Ausgänge des zweiten VRZ mit den entsprechenden Parallel-Steuercingängcn des zweiten VV verbunden sind, daß die Parallcl-Ausgilnge des zweiten VRZ mit den entsprechenden Parallcl-Eingängen einer binär arbeitenden Subirahicr-Einhcil verbunden sind und daß den Subtrahicr-Parallcl-Eingängcn der Subtrahicr-Einheil eine konstante Biniir-lnformnlion in Parallel-Form zugeführt wird, so daß den Parallel-Ausgangen der Subtrahier-Einhcit ein Ausgangssignal entnehmbar ist, welches ein direktes Maß für die Venikal-Gcscliwindigkeil (Änderung der Höhe pro Zeiteinheit) ist.

Die Parallcl-Ausgänge der Subtrahier-Einheit können mit einer Ziffcrnanzcigc-Vorrichlung und/oder einer diUcnvcrarbcilenclcn Einrichtung verbunden werden, welche die Vcrtikal-Gcsehwindigkeits-Information auswertet oder über Kommtinikationswegc weiterleitet.

Eine besonders zweckmäßige Verwendung der crfindiingsgcmüßcn Anordnung ergibt sich noch dadurch, daß mit ihr die Horizontalgcschwindigkcit eines Fahrzeuge!) gemessen werden kann, Dazu kann die Stimmgabel mit dem von einem mit der Horizonlulgcschwindigkeit bewegten Staurohr erzeugten Luftdruck beaufschlagt werden. Das Staurohr kann an dem Fahrzeug vorgesehen werden, dessen Hori/unlnlgcschwindigkcil gemessen werden soll,

Ausfühi'ungsbcispiclc der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es /,dgl

Fig. I einen in der Anordnung verwendeten Stimmuabel-Oszilliitor in vereinfachter lllackdu!'Stellung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Höhe vom relativen Luftdruck,

F i g. 3 das Blockschaltbild eines in dem Verzerrerschaltungsteil verwendeten Frequenzverhältnis-Detektors,

F i g. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Approximation der in Fig.2 gezeigten Funktion durch zwei Hyperbel-Teilstücke,

F i g. 5 ein Gesamt-Blockschaltbild der Anordnung.

ίο Der in Fig. 1 dargestellte Stimmgabel-Oszillator 11 enthält eine Stimmgabel 1 mit zwei Schwingarmen 2. An den Enden der Schwingarme 2 sind Prallkörper 3 vorgesehen, welche als zwei gleiche Halbschalen ausgebildet sind. Zwischen den Schwingarmen 2 befindet sich eine Sensorspule 4 und eine Erregerspule 5. Die Sensorspule 4 nimmt die Schwingfrequenz der Stimmgabel 1 elektromagnetisch von der Stimmgabel 1 ab und führt sie einem Verstärker 6 zu. Der Verstärker 6 speist seinerseits die Erregerspule 5. Die Schwingfrequenz kann von dem Stimmgabel-Oszillator 11 über die Leitung 9 abgenommen werden. Die Stimmgabel 1 ist außerdem noch mit einer Bohrung 7 versehen, in der sich ein elektrisches, temperaturempfindliches Bauelement 8 befindet. Das Bauelement 8 gibt über eine Leitung 10 ein Signal ab, welches von der Temperatur der Stimmgabel 1 abhängt.

In F i g. 2 ist die Abhängigkeit der Höhe vom relativen Luftdruck p/po dargestellt. Der Wert p/po gleich 1 drückt die internationale Standardatmosphäre für Flugbetrieb

jo aus. Wie man erkennt, ist der Zusammenhang zwischen der Höhe H und dem relativen Luftdruck p/po durch eine hyperbelartige Funktion gekennzeichnet.

Das elektrische Grundprinzip besteht nun darin, daß man den gemessenen Druck in eine Impulsfrequenz

.is umwandelt und mittels eines Frequenzverhältnis-Dctektors, wie er in Fig.3 gezeigt ist, verzerrt. Der Frequenzverhältnis-Detektor in Fig.3 besteht aus einem Verhültnis-Verviclfachcr 31, nachfolgend genannt VV, und einem Vorwärts-Rüekwarts-Zählcr 33, nachfolgend genannt VRZ. Die beiden Baueinheiten 31 und 35 arbeiten binär; um jedoch die ermittelten Werte dezimal anzeigen zu können, sind sie binär-dezimal-kodicrt(BCD).

Dem Inipulscingang 32 des VV 31 werden Impulse mit einer Frequenz Ai zugeführt, welche von dem relativen Luftdruck p/po abhängt. Der Impul.satisgang33 des VV 31 ist mit dem Rückwärls-Zahleingang 36 des VUZ 35 verbunden. Dem Vorwarts-Zühleingang 37 des VRZ 35 werden Impulse mit einer konstanten Frequenz

so Ii zugeführt. Die Parallel-Ausgänge 38 des VRZ 35 sind mit den entsprechenden Parallcl-Stcucrcingilngcn 34 des VV 31 verbunden. Die Zahl der Parallel-Ausgänge 38 des VRZ 35 und der Parallcl-Steucreingüngc 34 des VV 31 (im vorliegenden Fall sind es vier) ist in F i g, 3 nur

SS beispielhaft; in der Praxis hllngt diese Zahl von der geforderten Meßgenauigkeit ab. An den Pnnillol-Ausgttngcn 38 des VRZ 35 kann ein spater noch genauer crlttulcrtcr Wert M (H) abgenommen werden, der gegenüber dein ermittelten relativen Luftdruck p/p»

du bzw. gegenüber der Frequenz /1 hyperbolisch verzerrt ist und eine binllr-dczimal-kodierte Information der Höhe darstellt,

Der VV 31 kann als ein heutzutage allgemein übliches digitulelektronisches Bauteil angesehen werden. Eine

ii;s 11H lic rc Erläuterung seiner Funktion findet sich beispielsweise In dem Applikationsblalt SN 7497 der Firma Texas Instruments Deutschland GmbH,,,Die Funktion des VV 31 ist in kurzen Worten wie folgt; Der VV

(1)

Dabei ist k die Anzahl der Parallel-Steuereingänge; und M ist die den Parallcl-Steuereingängen in Parallel-Binärform eingegebene Information, welche die Anzahl der ausgeblendeten Impulse bestimmt. Wenn der VV binär-dczimal-koclicrt ist (in Fig.3 und 5 BCD-VV bezeichnet), so ist der Zusammenhang zwischen /], und /Ί-wic folgt:

(2)

3°

4«

I lier ist mgcs d\c Zahl der Finzcldekaden zur Basis 10. Fs können auch mehrere BCD-VV zusammcngeschaltet werden, um den Zählbercich entsprechend zu erhöhen. In diesem Fall ist die Gesamtzahl (#«,) der lünzeldckaden aller BCD-VV zu berücksichtigen.

Der VV 31 und der VRZ 35 wirken, wie bereits erwähnt, als Frequcnzverhaltnis-Detektor zusammen. Die Wirkungsweise ist wie folgt:

Unter der Voraussetzung, daß die Frequenz /'? in Fig, 3 konstant gehalten wird und kleiner ist als die Frequenz /Ί, welche voruussetzungsgemiiß von dein relativen Luftdruck />//>» abhängen soll, so gleicht sich die Impulsfrequenz um Rückwarts-Zühleingang 36 des VRZ 35 der Impulsfrequenz /j am Vorwilrts-Zahlcingung 37 im. da der VV 31 und der VRZ 35 als Rückkopplungskreis geschaltet sind. An den Parallel-Steuercingllngcn stellt sich dadurch automatisch ein BCD-Wert ein, der sich uns Formel (2) ergibt:

.10

M =

77

KV«

(3)

In dieser Formel steht /Ί im Nenner. Du h konstant ist, ist Meine hyperbolische Funktion von l\. Wesentlich ist dabei, dall die Funktion in clekliOiiischdigitiiler Weise kontinuierlich gebildet wird (im Gegensatz /ti üblichen digitalen Quotienten-Bildnern, die nur jeweils mich bestimmten Zeitabschnitten ein neues Ergebnis liefern).

Die Kurve in Fig,2 IUIM sich etwu durch folgenden mathematischen Zusammenhang ausdrücken;

(to

VlPa I a

(4)

('S

Um diesen Zusammenhang elektronisch /11 realisieren, müssen die Fingtings- und Ausgangsgrößen der

blendet aus einer kontinuierlichen Impulsfolge, die seinem Impulseingang 32 zugeführt werden, bestimmte Impulse aus, d. h. an dem Impulsausgang 33 tritt eine Impulsfolge auf, in der von Zeit zu Zeit ein oder mehrere Impulse fehlen. Die Zahl der ausgeblendeten Impulse kann durch eine Information bestimmt werden, die den Paraüel-Steuereingängen 34 des VV 31 zugeführt wird. Wenn die Impulse am Impulsausgang 33 des VV 31 in einer bestimmten Zeiteinheit gezählt werden, so ist diese Zahl geringer als die Zahl der Impulse am Impulseingang 32 in der gleichen Zeiteinheit. Mit anderen Worten, die Impulsfrequenz am Impulsausgang 33 ist geringer als die Impulsfrequenz am Impulseingang 32. Der Zusammenhang zwischen der Ausgangsfrequenz f_a und der Eingangsfrequenz f_c ist bei einem normal binär kodierten VV durch folgende Formel gegeben:

Schaltung gemäß F i g. 3 so beeinflußt werden, daß sich, ausgehend von Formel (3), ergibt:

M = ΙΟ'"⁹" · \-~— -I - b . L ./1 + « J

Die Realisierung der Formel (6) ist im Zusammenhang mit F i g. 5 erläutert.
Bei einem Vergleich von (4) und (5) ergibt sieh dann:

ti= /₂ ei = a ;
p/p₀ = /, b = b.

Das bedeutet im Hinblick auf die Schaltung gemäß F i g. 2: Die Frequenz f\ muß noch um einen konstanten Faktor a vergrößert werden. Von dem Ausgangswert M muß noch ein konstanter Wert b subtrahiert werden. Durch Wahl der konstanten Frequenz /2 kann man die Krümmung und durch Wahl der Konstanten a und b kann man die Verschiebung der Hyperbel im Koordinaten-System so beeinflussen, daß die Kurve gemäß Fig.2, soweit wie mit der Funktion gemäß Formel (5) möglich, approximiert wird.

Die Subtraktion des Betrages b von dem Ausgangswert M ist jedoch technisch aufwendig. Technisch einfacher wird die Ermittlung des Wertes M, wenn man die Formel (5) wie folgt umschreibt;

M = 10""'"

/2

J
(Z₁ + fl)

Mit der Schaltung nach Fig.3 ist es jedoch nicht möglich, die Funktion nach F i g. 2 exakt zu approximieren. Eine bessere Approximation kann dadurch erreicht werden, daß man die Kurve gemäß F i g. 2 aus zwei Tcilstückcn zusammensetzt, von denen jedes der obigen Formel, jedoch mit anderen Parametern, entspricht. Diese Möglichkeil der Approximation ist in Fig.4 dargestellt,

In Fig.4 ist die Funktion, mit der die Höhe von dem relativen Luftdruck abhängt, als dick ausgezogene Linie dargestellt. Diese Linie soll durch ein oberes Teilstück einer I lypcrbel mit der Funktion

(7)

und durch das untere Teilslüek einer Hyperbel mit der Funktion

"2

.V

(H)

/,usunimengesetzt werdeil, Um diese Hyperbel in entsprechender Weise /usnmnicn/.uset/.en, derart, dal.1 sie sich in einem Schnittpunkt treffen und ineinander übergehen, muß dus erwähnte obere Teilslüek der I lyperbcl mit der Funktion (7) in .v·Richtung (entspricht dem relul'iven Druck /)//λι) um ilen Festwert //1 und in y-Richlung (entspricht der Höhe H)v\n\ den Festwert />i verschoben werden, Dus untere Teilslüek der I lyperbcl mil der Funktion (H) muH in \-Richtung um ilen Festwert

./2 und in y-Richuing um den Fesiwert bi verschoben werden. Dadurch hut das obere Teilstück die Funktion

_v = _a_
χ + (i_t

und das untere Teilstück die Funktion

»2

X — Cl₂

(10)

Die beiden Hyperbel-Teilstückc können jeweils dadurch approximiert werden, daß man die Modifikation der Eingangsgrößen der in Fig. 3 dargestellten Schaltung entsprechend ändert.

Wie das erfolgt, wird nachfolgend anhand des in F i g. 5 dargestellten Gesamtblockschaltbildes erläutert.

In Fig. 5 ist mit dem Stimmgabel-Oszillator il noch ein Staurohr 38 verbunden, das in gestrichelten Linien dargestellt ist. Damit soll angedeutet werden, daß die Anordnung entweder zur Messung der Höhe oder zur Messung der Horizontal-Geschwindigkeit eines Luftfahrzeuges ausgebildet werden kann (wahlweise). Wenn die Horizontal-Geschwindigkeit gemessen werden soll, so wird der Druck der die Stimmgabel umgebenden Luft von dem Staudruck des Staurohres 38 abhängig gemacht. In diesem Fall hängt auch die Frequenz des Stimmgabel-Oszillators 11 von dem Staudruck ab.

Das Ausgangssignal des Stimmgabel-Oszillators 11 wird über die Leitung 9 einem Mischer 40 zugeführt. Das temperaturabhängige Signal des temperaturabhängigen elektrischen Bauelementes 8 wird über die Leitung 10 einem Hilfsoszillator 39 zugeführt. Die Frequenz des Ausgangssignals des Hilfsoszillators 39 hängt von der Stimmgabel-Temperatur ab. Das Ausgangssignal des Hilfsoszillators 39 wird ebenfalls dem Mischer 40 zugeführt. Dem Mischer 40 ist ein Filter 41 nachgeschaltet, welches die Summen- oder Differenzfrequenz aussiebt, Die Tcmperatureharaktcristik des temperaturfibhängigen Bauelementes 8 und die Stcuercharakteristik des Hilfsoszillators 39 sind so gewählt, daß der Temperatureinfluß auf die Stimmgabel kompensiert wird und die Summen- bzw. Differenzfrequenz, welche das Filter 41 aussiebt, unabhängig von der Temperatur konstant ist. Das Ausgangssignal des Filters 41 wird einem Frequenz-Vervielfacher Λ2 zugeführt. Das Ausgangssignal des Frequcnz-Vervielfachers 42 wird einem weiteren Mischer 43 zugefühirt, Außerdem wird dem Mischer 43 noch das Ausgangssignal eines Festfrequenz-Oszillators 44 zugeführt. Dem Mischer 43 ist ein Filter 45 nachgcschnltci, welches die Summen- oder Differenzfrequenz des Mischproduktes aussiebt. Das Ausgungssignal des Filters 45 wird einem Impulsformer 47 zugeführt, der aus den Schwingungen Impulse formt.

Der Ausgang des Impulsformer» 47 ist mit dem einen Bingung 82 eines ODER-Verknüpfungsglicdes 81 verbunden, Der andere Eingang 83 des ODER-Vcrknüpfungsglledcs 81 ist mit dem Impulsausgung 79 eines VV 77 verbunden. Der Ausgung 84 des ODER-Verknüpfungsglicdes 81 ist mit dem Impulseingang eines VV 31 verbunden, Der Impulsausgung 33 des VV 31 Ist mit dem einen Eingang 70 eines ODER-Verknüpfungsgliedcs 69 verbunden, Der andere Eingung 71 des ODER-Verknüpfungsglicdcs69 ist mit dem Impulsausgang 75 eines VV 73 verbunden.

Der Ausgang 72 des ODER-Verknüpfungsgliedes 69 ist mit dem Rückwärts-Zähleingang 36 eines VRZ 35 verbunden. Der Vorwärts-Zähleingang 37 des VRZ 35 ist mit dem Impulsausgang 66 eines VV 64 verbunden.

s Die Parallel-Ausgänge 38 des VRZ 35 sind mit den entsprechenden Parallel-Stcuereingängen 34 des VV 31 verbunden. Außerdem sind die Parallel-Ausgänge 38des VRZ 35 mit den entsprechenden Parallel-Eingängen 56 einer Ziffernanzeige-Vorrichtung 57 für die Höhe

ίο verbunden.

Der Impulseingang 65 des VV 64 ist mit dem Ausgang eines Frequenzteilers 68 verbunden. Der Eingang des Frequenzteilers 68 ist mit dem Ausgang eines anderen Frequenzteilers 46 verbunden. Der Eingang des

Frequenzteilers 46 ist mit dem Ausgang des Fcstfreqiienz-Oszillators 44 verbunden.

Der Ausgang des Frequenzteilers 46 ist außerdem mit dem Impulseingang 78 des VV 77 verbunden.

Der Impiilseingang 74 des VV 73 ist mit dem Ausgang 84 des ODER-Verknüpfungsgliedes 81 verbunden.

Mit dem Impulsausgang 66 des VV 64 ist ferner der Impulseingang 49 eines VV 48 verbunden. Der Impulsausgang 50 des VV 48 ist mit dem Rückwärts-Zähleingang 53 eines VRZ 52 verbunden. Der

>5 Vorwärts-Zähleingang 54 des VRZ 52 ist mit dem Ausgang 72 des ODER-Verknüpfungsgliedes 69 verbunden. Die Parallel-Ausgänge 55 des VRZ 52 sind mit den entsprechenden Parallel-Steuereingängen 51 des VV 48 verbunden. Außerdem sind die Parallel-Ausgänge 55 des

.ίο VRZ 52 mit den entsprechenden Parallel-Eingängen 59 einer binärarbeitenden Subtrahiereinheit 58 verbunden. Den Subtrahier-Eingängen 60 der Subtrahier-Einheit 58 wird ein konstanter binärer Wert in Parallelform zugeführt.

.15 Die Parallel-Ausgänge 61 der Subtrahier-Einhcit 58

sind mit den entsprechenden Parallel-Ausgängen 63

einer Ziffernanzeige-Vorrichtung 62 für die Vertikalgc-

schwindigkei¹. verbunden.

Die Parallel-Steuercingüngc des VV 64 sind mit

einem Umschalter 87 verbunden. Die Parallcl-Steucremgünge 80 des VV 77 sind mit einem Umschalter 88

verbunden. Die Parallcl-Stcuercingüngc 76 des VV 73

sind mit einem Umschalter 89 verbunden.

Nunmehr soll erläutert werden, wie die Formel (6)

realisiert wird:

Der Frequenz /", in Formel (6) entspricht die Frequenz der Impulse am Ausgang des Impiilsformers 47. Diese Frequenz hangt von der Frequenz des Stimmgabel-Oszillators und damit vom Luftdruck ab. Nach Formel (6)

so wird der Frequenz /", ein konstanter Betrag « hinzuaddiert. Das erfolgt in dem ODER-Vcrknüpfungsglied 81. Diesem werden neben den Ausgangsimpulsen des Impulsformers 47 noch Ausgangsimpulsc des VV 78 zugeführt (hierbei ist zu bedenken, dull die Impulse sehr

ss schmal sind und die Wahrscheinlichkeit, daß zwei unpulse aufeinandertreffen, sehr gering ist). Die Frequenz der Ausgangsimpulse des VV 78 hUngt von der Frequenz seiner Eingangsimpulse (diese ist die durch Frequenzteiler 46 hemntcrgetciltc Fcstfrcqucnz

fto des Fcstfrequcnz-Oszillulors 44) und von der gemüö Formel (2) an den Purullcl-Steucrelngtlngcn 80 eingestellten Information M₁, ab, Der Betrag u kann also mit der Information M_a gewühlt werden. Dem Umschalter 88 werden zwei Informationen M₁₁; und Ma zugeführt,

fts so duß der Betrug /1 entsprechend F i g, 4 für die beiden llyperbcl-TeilstUckc zwischen /I₁ und tu umgeschaltet werden kunn.

In Formel (6) muß der Wert (l\ + u) Im Zlthlcr

außerdem noch mit dem Kaktor b multipliziert und von der Frequenz /i subtrahiert werden. Die Multiplikation mit b erfolgt mit dem VV 73. Gemäß Formel (3) läßt sieh der Wert b durch die Information Mt, an den Parallel-Steuereingängen 76 des VV 71 einstellen. Dem Umschalter 89 werden zwei Informationen Mb\ und /VZ^ zugeführt, so daß der Betrag b entsprechend F i g. 4 für die beiden Hyperbel-Teilstücke zwischen b\ und tn umgeschaltet werden kann. Die Subtraktion von b ■ (I] + a) im Zähler der Formel (6) wird dadurch erreicht, daß man die Ausgangsimpulsfolgc des VV 73 dem Rüekwärts-Zähleingang 36 des VRZ 35 zuführt. Da dem Rüekwärts-Zähleingang 36 außerdem noch gemäß der Schaltung in F i g. 3 die Ausgangsimpulsc des VV 31 zugeführt werden müssen, erfolgt die logische Verknüpfung über das ODER-Verknüpfungsglied 69. Die Frequenz h in Formel (6) ist, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde, eine dem Vorwärts-Zähleingang zugeführte Festfrequenz. Sie entspricht außerdem in der Formel (4) dem Wert n. Der Wert η wird an den Parallel-Steuereingängen des VV 64 als Information M_n gemäß Formel (3) eingestellt. Der Impulseingang 65 des VV 64 ist über die Frequenzteiler 68 und 46 mit dem Fcstfrequenz-Oszillator 44 verbunden. Dementsprechend hängt die Frequenz der Ausgangsimpulse des VV 64 gemäß Formel (3) von der Festfrequenz und von der Information M_n ab. Dem Umschalter 87 werden zwei Informationen Λ/,,ι und M_n> zugeführt, so daß der Betrag η entsprechend F i g. 4 für die beiden Hyperbel-Teilstücke zwischen ii\ und n.. umgeschaltet werden kann.

Die Umschalter 87, 88 und 89 sind, wie durch die gestrichelte Linie 90 angedeutet ist, synchron miteinander gekoppelt und werden gleichzeitig von einer Unischalteinrichtung 86 betätigt. Die Umschalteinrichtung 86 wird von einem Frcquenz-Diskriminator 85 gesteuert. Der Frequenz Diskriminator 85 hat seinen Umschaltpunkt bei einer bestimmten Impulsfrequenz. Diese Umschalt-lmpulsfrequenz entspricht dem Schnittpunkt der beiden Hyperbel-Teilstücke in F i g. 4. Mit anderen Worten bedeutet das, daß je nachdem, ob die dem jeweiligen Luftdruck entsprechende Impulsfrequenz oberhalb oder unterhalb des Umschaltpunktes des Frequenz-Diskriminators 85 liegt, das entsprechende Teilstück der einen oder der anderen Hyperbel zur Approximation der Funktion verwendet wird, mit

ίο welcher die Höhe von dem relativen Luftdruck abhängt.

Die Ermittlung der Vertikal-Geschwindigkeit beruht

darauf, daß bei einer Veränderung der Höhe infolge der endlichen Regelgeschwindigkeit des aus dem VV 31 und dem VRZ 35 gebildeten Rückkopplungskreises zwischer, den Rüekwärts-Zähleingang 36 und dem Vorwärts-Zähleingang 37 ein Unterschied in der Frequenz der dort angelieferten Impulse entsteht (bedingt durch die Trägheit des Regelkreises oder die endliche Regelzeit). Dieser Unterschied ist um so größer, je

jo stärker die Vcnikal-Geschwindigkeit, d. h. also die Höhenänderung pro Zeiteinheit ist. Wenn die Vertikal-Geschwindigkeit Null ist, d. h. wenn die Höhe nicht geändert wird, so besteht kein Unterschied in der Impulsfrequenz an dem Rüekwärts-Zähleingang 36 und

2s dem Vorwärts-Zähleingang 37 des VRZ 35. Nach der im Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnten Formel (2) ist dann der Ausgangsbinärwert an den Parallel-Ausgängen 55 des VRZ 52 gleich 10"««,·da der VV 48 und der VRZ 52 wiederum einen Frequenzverhältnis-Detektor

V) bilden, wie er bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde. Um nun den richtigen Wert der Vertikal-Cieschwindigkeit zu erhalten, muß von dem Ausgangsbinärwert des VR/ 52 noch der konstante Wert 10'"*'« abgezogen werden. Dieses Abziehen erfolgt

\1 in der Subtrahier-Einheit 58. Der erwähnte konstante Wert wird den Subtrahier-Eingängen 60 in paralleler Binärform eingegeben.

Hierzu 4 Bkitl Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung von Cidruck, insbesondere von dem von der Höhe abhängigen Atmosphärendruck, mit einem Oszillator, welcher ein mechanisches Schwingelement aufweist, dessen Schwingfrequenz durch den Druck des dieses Schwingelement umgebenden Gases beeinflußt wird, mit einer Auswerteschaltung, welche die ι ο Schwingfrequenz des Oszillators auswertet, wobei die AuEwerteschaltung einen mit der Schwingfrequenz des Oszillators gespeisten Vemerrerschaltungsteil enthält, der eine Übcrtragungskev.nlinie hat, welche die Funktion approximiert, mit der die Schwingfrequenz des Oszillators von dem Gasdruck — und wenn dieser eine Funktion der Höhe ist — von der Höhe der Anordnung abhängt; so daß das Ausgangssignal des Verzerrerschaltungsteiles ein direktes Maß für den Gasdruck bzw. die Höhe ist, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisches Schwingelement eine Stimmgabel (1) verwendet ist und daß der Verzerrerschaltungsteil so ausgebildet ist, daß die Übertragungskennlinie aus mindestens zwei eineinander übergehenden Hyperbel-Teilstücken zusammengesetzt ist.

2. Anordnung nach Anspruch l·, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzerrerschaltungsteil einen ersten Verhältnisvervielfacher, genannt VV (31), und einen ersten Vorwärts-Rückwärts-Zähler, genannt VRZ (35), enthält, daß dem Inipulseingang (32) des ersten VV (31) Impulse zugeführt werden, deren Frequenz von der Frequenz des druckabhängigen Oszillators (U) abhängt, daß Impulsausgang (33) des ersten VV (31) mit dem Rückwärts-Zähleingang (36) des ersten VRZ (35) gekoppelt ist. daß dem Vorwärts-Zähleingang (37) des ersten VRZ (35) Impulse mit einer konstanten Frequenz zugeführt werden, daß die Parallel-Ausgänge (38) des ersten VRZ (35) mit den entsprechenden Parallel-Steuereingängen (34) des ersten VV (31) verbunden sind, daß an den Parallel-Ausgängen (38) des ersten VRZ (35) das Ausgangssignal, welches ein direktes Maß für die Höhe (H) ist, in Form von parallelen Binär-Informationen entnehmbar ist, daß der Vorwärts-Zähleingang (37) des ersten VRZ (35) mit dem Impulsausgang (66) eines dritten VV (64) verbunden ist, dessen Impulseingang (65) Impulse mit einer konstanten Frequenz zugeführt werden, daß die Parallel-Steuereingänge (67) des dritten VV (64) mit einem ersten Umschalter (87) verbunden sind, dem mindestens zwei verschiedene konstante Binär-Informationen CMni, Ma) in Parallelform zugeführt werden, welche die Krümmungen der ineinander übergehenden Hyperbel-Teilstücke bestimmen, daß mit dem Impulseingang (32) des ersten VV (31) der Ausgang (84) eines ersten ODER-Verknüpfungsgliedes (81) verbunden ist, daß dem einem Eingang (82) des ersten ODER-Verknüpfungsgliedes (81) Impulse zugeführt werden, deren Frequenz von der Frequenz des druckabhängigen Oszillators (11) abhängt, daß der andere Eingang(83)des ersten ODER-Verknüpfungsgliedes (81) mit dem Impulsausgang (79) eines vierten VV (77) verbunden ist, dessen Impulseingang (78) Impulse mit einer konstanten Frequenz zugeführt werden, daß die Parallel-Steuereingänge (80) des vierten VV (77) mit einem zweiten Umschalter (88) verbunden sind, dem mindestens zwei verschiedene konstante Binär-Informationen (M»\, Ma) in Parallelform zugeführt werden, welche die Verschiebung des einen Hyperbel-Teilstückes in der dem Gasdruck entsprechenden Koordinmenrichtung zum Übergangspunkt der beiden Hyperbel-Teilstücke bestimmt, daß mit dem Impulseingang (32) des; ersten VV (31) der Impulseingang (74) eines fünften VV (73) verbunden ist, dessen Impulsausgang (75) mit dem einen Eingang (71) eines zweiten ODER-Verknüpfungsgliedes (69) verbunden ist, daß der zweite Eingang (70) des zweiten ODER-Verknüpfungsgliedes (69) mit dem Impulsausgang (33) des ersten VV (31) verbunden ist, daß der Ausgang (72) des zweiten ODER-Verknüpfungsgliedes (69) mit dem Rückwärts-Zähleingang (36) des ersten VRZ (35) verbunden ist, daß die Parallel-Steuereingänge (76) des fünften VV (73) mit einem dritten Umschalter (89) verbunden sind, dem mindestens zwei verschiedene konstante Binär-Informationen CMw, M₄₂) in Parallelform zugeführt werden, welche die Verschiebung des anderen Hyperbel-Teilstückes in der der Höhe (H) entsprechenden Koordinate zum Übergangspunkt der beiden Hyperbel-Teilstükke bestimmt, daß der erste, zweite und dritte Umschalter (87, 88, 89) gemeinsam mit einer Umschalt-Einrichtung (86) verbunden sind, daß die Umschalteinrichtung (86) von einem Frequenz-Diskriminator (85) gesteuert ist, und daß dem Frequenz-Diskriminator (85) Impulse zugeführt werden, deren Frequenz von der Frequenz des druckabhängigen Oszillators (11) abhängt, und daß der Umschlagpunkt des Diskriminators (85) bei der Frequenz liegt, die dem Übergangspunkt der Hyperbel-Teilstücke entspricht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallel-Ausgänge (38) des ersten VRZ (35) mit einer Ziffernanzeige-Vorrichtung (57) und/oder einer datenverarbeitenden Einrichtung verbunden sind, welche die Höheninformation auswertet oder über Kommunikationswege weiterleitet.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwärts-Zähleingang (36) des ersten VRZ (35) mit dem Vorwärts-Zähleingang (54) eines zweiten VRZ (52) verbunden ist, daß der Rückwärts-Zähleingang (53) des zweiten VRZ (52) mit dem Impulsausgang (50) eines zweiten VV (48) verbunden ist, daß der Impulseingang (49) des zweiten VV (48) mit dem Vorwärts-Zähleingang (37) des ersten VRZ (35) verbunden ist, daß die Parallel-Ausgänge (55) des zweiten VRZ (52) mit den entsprechenden Parallel-Steuereingängen (51) des zweiten VV (48) verbunden sind, daß die Parallel-Ausgänge (55) des zweiten VRZ (52) mit den entsprechenden Parallel-Eingängen (59) einer binär arbeitenden Subtrahier-Einheit (58) verbunden sind, und daß den Subtrahier-Parallel-Eingängen (60) der Subtrahier-Einheit (58) eine konstante Binär-Information in Parallel-Form zugeführt wird, so daß den Parallel-Ausgängen (61) der Subtrahier-Einheit (58) ein Ausgangssignal entnehmbar ist, welches ein direktes Maß für die Vertikal-Geschwindigkeit (Änderung der Höhe pro Zeiteinheit) ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallel-Ausgänge (61) der Subtrahier-Einheit (58) mit einer Ziffernanzeige-Vorrichtung (62) und/oder einer datenverarbeitenden Einrichtung verbunden sind, welche die Verti-

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kal-Geschwindigkeits-Information auswertet oder über Kommunikationswege weiterleitet.

6. Verwendung einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der Horizontalgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (1) mit dem von einem mit der Horizontalgeschwindigkeit bewegten Staurohr (38) erzeugten Luftdruck beaufschlagt wird.