DE2238763C3 - Verfahren zur Effektivwertmessung mit Signalrückführung - Google Patents

Description

u₅ 'M - dann dem Effektivwert proportional ist.

2. Verfahren zur elektronischen Analogrnessung des Effektivwertes von Wechselspannungen in weiten Dynamikbereichen und mit einem dynamischen Verhalten der Meßgröße, wie es durch die Hintereinanderschaltung eines Quadrierers, eines fl-C-Gliedes und eines Radizierers definiert ist, mit Hilfe von Dynamikkompression durch Signalrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung im Wechselspannungs-Signalpfad umgekehrt proportional zu einer Eponentialfunktion(m ".', m

und u_r beliebig, aber konstant) der quadrierten, um u_r verminderten und laufend über der Zeit integrierten Signalspannung uio gesteuert wird, die dann dem Logarithmus des Effektivwertes proportional ist und deren Exponentialfunktion (Steuerspannung) somit dem Effektivwert unmittelbar proportional ist.

3. Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Anordnung von Funktionseinheiten:

Ein Dividierer (3), der als Dividend die Eingangsspannung der Gesanuschaltung und als Divisor die Ausgangsspannung des 1. Potenzierers (5) empfängt; ein Quadrierer (4), der die Ausgangsspannung (Quotient) des Dividierers (3) quadriert;
ein /?-C-Glied, das die Ausgangsspannung des Quadrierers (4) glättet (7?-C-integriert);
ein 1. Potenzierer (5), der die geglättete Spannung am Kondensator C mit einem wählbaren Exponenten n>\ potenziert und zum Dividierer (3) zurückführt;
ein 2. Potenzierer (6), der die geglättete Spannung

am Kondensator C mit η +

., potenziert und somit zu messenden Spannung

dem Effekiivwert der
proportional macht.

4. Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Anordnung von Funktionseinheiten:
Ein Dividierer (7), der als Dividend die Eingangsspannung der Gesamtschaltung und als Divisor die Ausgangsspannung des Delogarithmierers (10) empfängt;

ein QiiaHricrer (8), der die Ausgangsspannung (Quo!KMi 1) des Dividierers (7) quadriert;
cm Integriere·!·, /.. B. ein geeignet beschalteter Differenzverstärker (9), der die Differenz /wischen '.iiiadrierei-Ausgangsspannung und einer /ugcführicn festen Be/ugsspannung u, laufend über die Zeit integriert,

ein Delogarithmierer (10), der die Ausgangsspannung des Integrierers zu einer wählbaren Basis m delogarithmiert (zum Exponenten von m erhtbt) und zum Dividierer (7) zurückführt, wodurch diese rückgeführte Ausgangsspannung dem Effektivwert der zu messenden Spannung und die Spannung vor dem Delogarithmierer (10) dem Logarithmus des Effektivwertes proportional wird.

5. Schaltungen nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stetig arbeitenden Dividierer durch feinstufige Verstärkungsumschalter ersetzt werden.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren der elektronischen Analog-Messung des Effektivwertes von Wechselspannungen in weiten Dynamikbereichen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2. Sie ermöglicht die Realisierung bestimmter Eigenschaften in Verbindung mit dem an sich bekannten Prinzip der Signalrückführung (Rückwärtsregelung, Kompression) von der Ausgangsseite eines konventionellen Effektivwertdetektors auf den eingangsseitigen Signalpfad. Durch die damit bewirkte Einengung von Pegelschwankungen wird der durchweg mangelhafte Dynamikbereich konventioneller Effektiwertdetektoren besser ausgenutzt bzw. scheinbar vergrößert. Entsprechende Schaltungsanordnungen sind beschrieben in:

[1] C. G. Wahrmann:

A true RMS Instrument.

Brüel & Kjaer Technical Review Nr. 3 — 1958
[2] J. T. Broch, C. G. Wahrmann:

RMS Recording of Narrow Band Noise with the Level Recorder 2305.

Brüel & Kjaer Technical Review Nr. 4 - 1960
[3] J.M.Wade:

Recording True-rms Voltages Over Wide Dynamic Ranges.

Hewlett Packard Journal, Oktober 1968
[4] Deutsche-Auslegeschrift 19 35 544
[5] U.TietzcCSchenk:

Analogmultiplizierer mit Stromverteilungssteuerung

Elektronik 1971, Heft 6, S. 189- 194
[6] W. Wisotzky:

Ein regelnder Meßverstärker mit optoelektronischem Koppler.

Elektronik 1972, Heft 2, S. 45 - 48

Die beschriebenen Systeme mit Signalrückführung haben jedoch verschiedene Nachteile, denn entweder ist der beabsichtigte Effekt ungenügend [1], [4], [5] — oder aber ihr dynamisches Verhalten (d. h. Reaktion auf Pegelsprünge oder Impulse) ist aussteuerungsabhängig [6] oder nicht durch einfache Gesetzmäßigkeiten bestimmt [2], [3], was einer leicht faßbaren Beschreibung und Berechnung sowie einer Vereinheitlichung und Anpassung an bestehende Normen entgegensteht. Andererseits ist gerade die Reaktion auf sprunghafte und impulsartige Signale in manchen Fällen ausschlaggebend, insbesondere in der akustischen Meßtechnik.

Das ideale dynamische Verhalten ist durch eine Schaltung nach Abb. I definiert, die ausdrücklich oder stillschweigend gängigen Festlegungen in Normen,

Gerätedaten usw. zugrundeliegt, z. B. DIN 45 633, Blatt 1 (Präzisions-Impulsschallpegelmesser). In einer solchen Schaltung durchläuft das Signal nacheinander einen Quadrierer 1, ein R-C-Glied und einen Radizierer 2. Diese Anordnung folgt sinnfällig aus der Definitionsgleichung für den Effektivwert

(u(f) = Momentanwert der Meßspannur.g),

wenn man — wie bei veränderlichen Signalen üblich — die Mittelung nur über eine endliche Zeitspanne erstreckt und durch ein einfaches /?-C-Glied vollzieht (exponentiell zeitbewertete Mittelung). Die Differentialgleichung, welche die Eingangs- und Ausgangsspannung miteinander verknüpft und somit das dynamische Soll-Verhalten vollständig beschreibt, lautet:

'if ·

Das Produkt RC (gelegentlich auch 2 RC) wird als Zeitkonstante oder Mittelungszeit bezeichnet.

Die Schaltung wird jedoch in der dargestellten Form praktisch kaum benutzt, weil der erzielbare Dynamikbereich ungenügend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den weiten Dynamikbereich von Schaltungen nach dem Prinzip der Signalrückführung zu kombinieren mit dem als ideal definierten dynamischen Verhalten der bekannten Schaltung gemäß A b b. 1.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zum ersten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und zum zweiten durch die kennzeichnenden Merkmaie des Anspruchs 2 gelöst.

Erfindungsgemäß gibt es zwei spezielle Verfahren der Signalrückführung, d. h. Steuerung der Verstärkung im Signalpfad durch eine von der so verstärkten Signalspannung abgeleitete Spannung, welche die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannnntt in der gleichen Weise verknüpfen, also identische Differentialgleichungen besitzen, wie die Schaltung nach Abb. 1. Im folgenden sind die beiden alternativen Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen erläutert:

I. Kompressionsve-fahren, Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 2 (entspricht Anspruch 1).

Das Signal wird nacheinander über einen gesteuerten Verstärker, dargestellt als Dividierer 3, über einen Quadrierer 4, über ein /?-C-Glied und über einen 1. Potenzierer 5 als Steuersignal wieder zurück auf den gesteuerten Verstärker geführt. Hinter dem /?-CGIied zweigt über einen 2. Potenzierer 6 das effektivwertproportionale Ausgangssignal ab. Bei dem auf diese Weise beispielhaft realisierten Verfahren werden Pegelschwankungen nicht vollständig ausgeregelt, sondern nur komprimiert. Das komprimierte Signal uj vor dem eigentlichen konventionellen Effektivwertdetektor — repräsentiert durch den Quadrierer 4 und das /?-C-Glied — enthält noch die volle Information über den momentanen Effektivwert, die quadrierte und geglättete Spannung u·, hinter dem /f-C-Glied muß nur in geeigneter Weise (durch den 2. Potenzierer 6) expandiert werden.

Folgende Maßnahmen machen die Ausgangsspannung dieser Schaltung proportional zur Ausgangsspannung der Schaltung nach Abb. 1 (bei gleicher Eingangsspannung):

a) Die Verstärkung Vi zwischen Hingang und Quadrierer 4 wird umgekehrt proportional zu einer Potenzfunktion — mit wählbarem Exponenten n>l*) — der Spannung 1/5 hinter dem R-C-G\ied gesteuert: t i - »*"; beispielsweise realisiert durch den 1. Potenzierer 5 und den Dividierer 3.

b) Eine andere Potenzfunktion — mit dem Exponenten η + ., — derselben Spannung Us liefert die

Ausgangsspannung u_cm beispielsweise realisiert durch den 2. Potenzierer 6 — oder durch eine nichtlineare Skala eines angeschlossenen Instruments o. ä.

c) Die Zeitkonstante C\R\ ist gegenüber CR der Schaltung nach Abb. 1 im Verhältnis (2n + 1): 1 vergrößert.

Mit den Merkmalen a, 6und eist die Differentialgleichung dieser Schaltung (zwischen u und u_cn) identisch mit derjenigen der Schaltung nach Abb.l — bis auf einen konstanten Faktor vor u², der sich durch geeignete 2-, Wahl der Schaltungskonstanten auch zu 1 machen läßt.

11. Regelungsverfahren, Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 3 (entspricht Anspruch 2).

jo Das Signal wird nacheinander über einen gesteuerten Verstärker, dargestellt als Dividierer 7, über einen Quadrierer 8, über einen als Integrierer grsrhalteten Differenzverstärker 9 und über einen DelogarUhmierer 10 als Steuersignal wieder zurück auf den gesteuerten

j-, Verstärker geführt. Hinter dem Delogarithmierer 10 zweigt das effektivwertproportionaie (lineare) Ausgangssignal ab. Das Signal vordem Delogarilhmierer 10 ist ebenfalls herausgeführt. Es ist vom Effektivwert logarithmisch abhängig (oder linear abhängig vom

4(i logarithmischen Pegel) und somit für viele Anwendungen noch interessanter als das lineare Ausgangssignal. Bei dem auf diese Weise beispielhaft realisierten Verfahren werden Pegelschwankungen des Eingangssignals vollständig ausgeregelt, d. h. der Effektivwert

ii ;ler Spannung Ug vor dem Quadrierer 8 ist bis auf eventuelle Ausgleichsvorgänge konstant, während die Information über den Effektivwert in der Steuerspannung Un des gesteuerten Verstärkers (Dividierer 7) enthalten ist.

->(i Folgende Maßnahmen machen die Ausgangsspannung dieser Schaltung proportional zur Ausgangsspannung der Schaltung nach Abb. I (bei gleicher Eingangsspannung):

-,-, a) Das System arbeitet als Integralregler, d. h. die Stellgröße des Reglers ist eine Funktion des Zeitintegrals über der Differenz zwischen Sollwert u_r und Istwert ^beispielsweise realisiert durch den Differenzverstärker 9 in Integrierschaltung.

ho b) Die Verstärkung V2 zwischen Eingang und Quadrierer 8 wird umgekehrt proportional zu einer Exponentialfunktion des 7eitintegrals uio, bezogen auf lh. gesteuert, wobei die Basis m > 1 wahlbar ist:

¹¹"' I ■ - 1» I -, I :

" DerSondjrfall π = I ist in [4j un

5 6

beispielsweise dargestellt durch den Delogarith- Niii ilon Merkmalen «i. ύ und eist die Differemiaiglei-

mierer 10 und den Dividierer 7. chung dieser Schaltung (/.wischen u und u_cir) identisch

c) Die ZeifkonstarM.p ( j/?j ist gegenüber CR der mit derjenigen der Schaltung nach Abb. 1 — bis auf

Schaltung nach Abb. 1 im Verhältnis 2 In m : 1 einen konstanten Faktor vor u², der sich durch geeignete

·.·.'■ ii.idcri. Wahl der Schaltiingskonstanten auch zu 1 machen läßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektronischen Analogmessung des Effektivwertes von Wechselspannungen in weiten Dynamikbereichen und mit einem dynamischen Verhalten der Meßgröße, wie es durch die Hintereinanderschaltung eines Quadrierers, eines Ä-C-Gliedes und eines Radizierers definiert ist, mit Hilfe von Dynamikkompression durch Signalrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung im Wechselspannungs-Signalp'ad umgekehrt proportional zu einer Potenzfunktion höheren Grades als 1 (m", n>\ wählbar) der quadrierten und Ä-C-integrierten Signalspannung U₅ gesteuert wird, deren um '/2 höhere Potenz