DE2315357A1

DE2315357A1 - Spannungs-ratiodetektor

Info

Publication number: DE2315357A1
Application number: DE2315357A
Authority: DE
Inventors: Richard Kent Davis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-05-30
Filing date: 1973-03-28
Publication date: 1973-12-13
Also published as: FR2187112A5; IT988692B; JPS4951991A; US3781698A

Description

Spannungs-Ratiodetektor

Bei bestimmten Anwendungsfällen ist es erxninscht,. ein Signal zu erhalten, welches proportional ist dem Verhältnis zwischen einem Spitzenwert, welcher zu beliebigen Zeitpunkten während eines Zeitraums auftreten kann, und einem Wert für das Untergrundsignal, das eine Neigung zu einem konstanteren Wert besitzt. Ein Beispiel für einen solchen Anwendungsfall besteht in der sogenannten "Signatur-Analyse"(signature analysis). In der Signatur-Analyse wird normalerweise ein Meßwertwandler oder Wandler einer geeigneten Ausfuhrungsform vorgesehen, der irgendeine Änderung in dem analysierten System erfaßt und ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, das dieser Änderung proportional ist. Beispielsweise

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kann bei der"Signatur-Analyse" eines Lagers ein Wandler des piezoelektrischen Typs verwendet werden und wird dann benachbart zu dein Lager angebracht, beispielsweise auf dem Gehäuse. Durch richtige Auswertung des elektrischen Ausgangssignals des piezoelektrischen Kristalls, das sich aus den beim Betrieb von dem Lager ausgehenden Vibrationen ergibt, kann festgestellt werden, daß das Lager aus einem oder mehreren Gründen nicht richtig arbeitet oder ■ defekt wird. Dies ist möglich, da bestimmte Defekte bestimmte Kennzeichen zeigen. Beispielsweise wird ein Kugellager, das Narben besitzt (pitted) oder eine seitliche Abplattung aufweist, während seines Betriebes bestimmte mechanische Schwingungen besitzen, die in elektrische Signale umgewandelt werden können. Diese Signale ihrerseits können ausgewertet, werden, um einen .bevorstehenden Ausfall des Lagers lange vor dem Zeitpunkt vorauszusagen^ an dem sonstige physische Anzeichen eines bevorstehenden Ausfalls vorliegen oder an dem ein vollständiger Ausfall der Maschine erfolgen wird. Daher können periodische Wartungsarbeiten in richtiger Weise für diese Einrichtung (das Lager) zu einem Zeitpunkt vorgesehen v/erden, welcher nicht ein Herausnehmen der Maschine aus dem normalen Betrieb erfordert.

Beim Betrieb irgendeiner mechanischen Einrichtung, beispielsweise eines Lagers, liegt jedoch ein gewisses Maß von normalerweise vorhandener Vibration und Reibung vor. Daher ist ein absolutes Maß der Gesamtvibration, das durch elektrische Größen dargestellt ist, nicht ausreichend,um einen Fehler festzustellen. In dem hier

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verwendeten Beispiel eines Lagers ist zu berücksichtigen, daß wegen der verschiedenartigen Betriebsbedingungen die tatsächlich vorhandene Gesamtvlbration sich über einen bestimmten Zeitraum in. einem beträchtlichen Maße ändern wird. Solche Faktoren sind die

Temperatur, die Belastung und die Drehzahl, welche sowohl für ein normales als auch für ein fehlerhaftes Lager die vom Lager ausgehenden Vibrationen beeinflussen. Normalerweise zeigt jedoch ein Fehler oder Defekt einen augenblicklichen Wert der Vibration, welcher größer ist als der normale Wert der Vibration beim Betrieb

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der mechanischen Einrichtung, beispielsweise eines Lagers. Dieser normale Wert der Vibration kann auch als Untergrundvibration bezeichnet werden. Daher ist es wichtig, daß ein Spitzenwert einer solchen Vibration im Gegensatz zu dem Untergrundwert der Vibration genau erfaßt werden kann, trotz des Vorhandenseins einer möglichen Änderung der Amplitude für beide Werte.

Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert^ ist es bekannt, daß ein geeigneter Wandler verwendet werden kann, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das repräsentativ für die Vibrationen im Innern einer Einrichtung ist. Dieses Signal wird einem geeigneten Verstärker zugeführt, der oft die Form eines Verstärkers (AGC) mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades (AGC) besitzt und eine Rückkopplung von seinem Ausgang aufweist, welche als Regelsignal dient. Das Ausgangssignal von dem Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung dient als Eingangssignal für zwei gleichartige Schaltungselemente, die jeweils einen gleichgerichteten Mittelwert des Ausgangssignals des Verstärkers mit automatischer Verstärkungsregelung liefern. Das zweite Schaltungselement liefert ein Signal proportional zum Spitzenwert des Verstärkers. Die Ausgangssignale von diesen beiden Elementen werden dann als Eingangssignale einer Teilerschaltung zugeführt. Diese dient dazu, ein Ausgangssginal als Quotient der Spitzenspannung geteilt durch den Mittelwert der Spannung zu erzeugen. Schaltungen dieses Typs sind bekannt. Sie besitzen jedoch mindestens einen von zwei üblichen Nachteilen, welche beide in engem Zusammenhang mit der Teilerschaltung stehen. Um eine Schaltung zu erhalten, welche eine genaue Anzeige ergibt, ist die Teilerschaltung verhältnismäßig sehr kostspielig und muß mit einer großen Genauigkeit hergestellt werden. Wenn sie nicht genau konstruiert und hergestellt wird, dann arbeitet sie ungenau und die erhaltenen Meßwerte besitzen nicht den Genauigkeitsgrad, welcher für viele Anwendungszwecke erforderlich ist.

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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Spannungs-Ratiodetektor zu schaffen, welcher genau und relativ kostengünstig ist.

Es ist eine weitere Aufgabe_; einen Spannungs-Ratiodetektor zu schaffen, welcher aus einer geringeren Zahl von Teilen oder Schaltungselementen besteht als die vorbekannten Anordnungen.

Der Spannungs-Ratiodetektor gemäß der Erfindung erzeugt eine genaue Ausgangsspannung ohne die Anwendung der in bekannten Anordnungen vorwiegend verwendeten Teile der Schaltung. Um dies zu erreichen, wird das Ausgangssignal von einem Verstärker mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades einer Proportionierungsschaltung zugeführt, deren Ausgangssignal ein Rückkopplungssignal für den Verstärker mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades liefert, und dadurch wird das Ausgangssignal des Verstärkers auf einem vorgegebenen Mittelwert gehalten. Daher besitzt das Ausgangssignal des Verstärkers mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades, das dann einem Spitzenwertdetektor zugeführt wird, eine Spitzenwertkomponente, die gleich dem Verhältnis des Spitzenwertes zum durchschnittlichen oder Mittelwert für das Eingangssignal ist, und die Spannungsteilerschaltung ist auf diese Weise beseitigt.

Diese und weitere Aufgaben und-Vorteile der Erfindung sind ersichtlich aus der nachstehenden Beschreibung vorteilhafter.Ausführungsformen im Zusammenhang mit cen Abbildungen.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines bekannten Spannungs-Ratiodetektors .

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild als Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungs-Ratiodetekt-ors .

Fig. 3 und 4 enthalten ausführliche Schaltzeichnungen und geeig-

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nete Teilschaltungen zur Verwendung in einem System gemäß dem Blockschaltbild der Figur 2.

Fig. 5 und 6 zeigen die Spannungswellenformen an verschiedenen Punkten in der Schaltung gemäß der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung nach dem vorstehend angeführten Stand der Technik. Der Diskriminator enthält einen Verstärker 10 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades und diesem wird e,in Eingangssignal zugeführt, das aus einem ersten oder Untergrundsignal und einem zweiten Signal zusammengesetzt ist, das zu beliebigen Zeiten auftritt und-eine Spitzenamplitude besitzt, die um ein Mehrfaches größer sein kann als die Amplitude des Untergrundsignals. Im Falle des hier beschriebenen Beispiels der Signaturanalyse eines Lagers kann dieses letztere Signal mit Spitzenamplitude von einer Vertiefung oder Narbe auf der Lageroberfläche herrühren. Im Falle einer Signaturanalyse gemäß der Darstellung in Figur 1 ist der Eingang des Verstärkers 10 mit einem geeigneten Wandler verbunden, der in der Lage ist, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, beispielsweise in Form eines piezoelektrischen Kristalls 12.

Das Ausgangssignal von dem Kristall 12 wird einem Vorverstärker Ik zugeführt, um einen ausreichenden Signalpegel zur Ansteuerung eines •Verstärkers 10 zu erhalten. Als Beispiel für ein Eingangssignal, welches am Eingang des Verstärkers 10 vorliegen kann, wird Bezug genommen auf die obere Wellenform der Figur 5, welche als Wandlerausgang bezeichnet ist. In dieser Darstellung ist ein Untergrundsignal mit variabler Amplitude wiedergegeben, das willkürlich verteilte Spitzenpulse oder nadeiförmige Impulse (spikes) mit einem höheren Pegel besitzt. Der Verstärker 10 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades dient dazu, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das ähnlich ist dem Eingangssignal mit der Ausnahme, daß die Amplituden der beiden Komponenten des Eingangssignals innerhalb festgelegter Grenzen gehalten werden. Diese vorgegebenen

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Grenzen werden in der Ausführungsform nach Figur 1 durch ein Rückkopplungssignal vom Ausgang des Verstärkers 10 eingehalten, und zwar über einen Leitungsweg, welcher in der Abbildung als Leitungsweg 16 dargestellt und bezeichnet ist.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 10 der Figur 1 bildet ein Eingangssignal für eine Schaltung 18 zur Erzeugung eines gleichgerichteten Mittelviertsignals. Diese Schaltung 18 führt im wesentlichen eine Vollweggleichrichtung und Filterung des Ausgangssignals des Verstärkers 10 durch und liefert an ihrem Ausgang ein Signal, das einen Spannungspegel proportional zum gleichgerichteten Mittelwert des Eingangssignals besitzt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 10 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades dient auch als Eingangssignal für eine Spitzenwert-Detektorschaltung 20. Diese liefert ein Aus gangs-signal mit einem Spannungspegel, welcher proportional dem Wert der Spitzenamplituden in ihrem Eingangssignal ist. Das Ausgangssignal der Schaltung 18 für den gleichgerichteten Mittelwert und des Spitzenwertdetektors 20 werden dann einer Teilerschaltung 22 in Standardausführung zugeführt. Diese liefert ein Ausgangssignal, welches angenähert gleich dem Verhältnis der Spannung des Spitzenwertdetektors 20 geteilt durch den Spannungswert der Schaltung 18 für gleichgerichteten Mittelwert ist. In der Figur 1 ist dieses Signal mit Vp/Vavg. bezeichnet und erscheint auf der Leitung 2k.

Figur 2 zeigt eine Anordnung als Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes. Die Schaltung verwendet den größten Teil der gleichen Elemente wie in ₎ den vorbekannten Sy-. «omen gemäß Figur 1 mit zwei entscheidenden Unterschieden. Der erste Unterschied besteht ersichtlich darin, daß die Teilerschaltung 22 der Figur 1 beseitigt worden ist. Das Ausgangssignal als Verhältnis der Spitzenspannung zum Mittelwert der Spannung wird unmittelbar aus dem Spitzenwertdetektor erhalten. Der zweite ersichtliche Unterschied besteht darin, daß das Rückkopplungs-

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signal zu dem Verstärker mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades aus einer Schaltung mit Gleichrichtung und Mittelwertbildung entnommen wird.Nachstehend wird im einzelnen auf Figur Bezug genommen und zur Erläuterung wild die Anwendung der Schaltung gemäß der Erfindung auf die Signaturanalyse herangezogen. In der Anordnung nach Figur 2 ist eine geeignete Einrichtung zur Signalerzeugung vorgesehen, beispielsweise ein Wandler 30, der wie zuvor ein piezoelektrischer Wandler sein kann und ein elektrisches Ausgangssignal liefert, welches eine Funktion der dem Wandler zugeführten mechanischen Belastungen ist. Wie im Falle der Erläuterung der Figur 1 wird auch hier ein Narben aufweisendes Lager als Beispiel verwendet und das Ausgangssignal des Wandlers kann die Wellenform gemäß der obersten Kurve der Figur 5 besitzen. Das heißt, das ßesamtsignal enthält einen ersten Teil mit einem relativ niedrigen Signalpegel, der auch als Untergrundsignal bezeichnet werden kann, und einen zweiten Signal teil mit einer sehr viel größeren Amplitude, der überlagert ist und einen Defekt in der überwachten Einrichtung anzeigt.

Das Ausgangssignal vom Wandler 30. wird als Eingangssignal für einen geeigneten Vorverstärker 32 verwendet. Dieser dient dazu, das Signal vom Wandler 30 auf einen Signalpegel zu verstärken, der für die Verwendung für den Verstärker ~$k mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades geeignet ist. In dieser Ausführungsform ist der Verstärker 32 vorzugsweise ein "Ladungs"-Verstärker (charge amplifier). Die Verwendung eines solchen Verstärkers erfolgt im Rahmen einer freien Auswahl bezüglich der Auslegung des Systems und es könnte' auch ein Spannungsverstärker verendet werden. Es ist lediglich erforderlich, daß der Verstärker 32 in der Lage ist, eine geeignete Verstärkung des Signals der Quelle oder des Wandlers 30 zu liefern. Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 ist ein Spannungssignal, dessen Amplitude oder Betrag proportional dem Ausgangssignal des Wandlers 30 ist.

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Der Verstärker 34 ist ein Verstärker,, dessen Verstärkungsgrad durch ein Steuersignal geregelt wird. Dieses wird in der vorliegenden Ausführungsform aus einer Proportionierungsjsehaltung geliefert, die hier als Schaltung 36 zur Bildung eines gleichgerichteten Mittelwertes dargestellt ist, und dieses Rückkopplungssignal wird über eine Rückkopplungsleitung 38 geführt. Da das Regelsignal gemäß der Erfindung aus der Schaltung 36 erhalten wird, besitzt das Ausgangssignal des Verstärkers 34 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades eine Wellenform, bei der von beiden Anteilen der eingangsseitigen Wellenformen ein Mittelwert in solcher Weise gebildet ist, daß ein Untergrundsignal mit im wesentlichen konstantem Pegel und auch Spitzenwertsignale mit im wesentlichen konstantem Pegel geliefert werden. Diese Wellenform ist in der zweiten Wellenform der Figur 5 wiedergegeben und als "Verstärkerausgang¹¹ bezeichnet.

Das Ausgangssignal vom Verstärker - 34 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades bildet ein Eingangssignal für die Schaltung 36 zur Bildung eines gleichgerichteten Mittelwertes. Diese erfüllt die Punktion einer Vollweggleichrichtung und einer Mittelwertbildung und liefert an ihrem Ausgang ein Spannungssignal, das einen Pegel proportional zum Mittelwert des gleichgerichteten Signals vom Verstärker 34 besitzt. Auf diese Weise kann das Ausgangssignal des Verstärkers 34 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals konstant gehalten werden. Daher besitzt das Ausgangssignal des Verstärkers 34 einen konstanten Wert mit der Ausnahme, daß es auch die im Eingangssignal vorhandenen bestimmten Spitzen enthält. Das Ausgangssignal des Verstärkers 34 ist auch das Eingangssignal für einen Spitzenwertdetektor 39· Da der mittlere Wert des Signals vom Verstärker 34 konstant gehalten wurde, ergibt der Spitzenwertdetektor 39 bei Erfassung der Spitzenwerte ein Ausgangssignal, dessen Spannung proportional den Verhältnis des Spitzenwertes zum Mittelwert ist. Das heißt., der Mittelwert des Untergrundes ist dadurch bekannt, daß ein-richtiger Maßstab

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für das Ausgangssignal des Gleichrichters 36 angelegt wird, und daher wird durch die Peststellung der Spitzenwerte vom Spitzenwertdetektor 39 auch ein Ausgangssignal erzeugt, das eine unmittelbare Punktion des Verhältnisses der Spitzenspannung zum Spannungsmittelwert ist.

Die Figuren 3 und 4 zeigen in Einzelheiten eine Ausfuhrungsform der verschiedenen Bauteile der Blockdarstellung in Figur 2. Figur 3 zeigt eine Quelle von EingangsSignalen, wie beispielsweise einen piezoelektrischen Kristall oder einen Beschleunigungsmesser 30, der ein Eingangssignal zu dem Ladungsverstärker 32 liefert. Dieses Eingangssignal wird einem umkehrenden Eingang eines Operatorverstärkers 50 in Standardausführung zugeführt, welcher mit einem Kapazitäts-Rückkopplungsweg durch einen Kondensator 52 ausgestattet ist. Der andere oder normale Eingang zum Verstärker 50 wird aus einer gemeinsamen geschlossenen Schleife 5²I als Sammelleitung erhalten. Der Ausgangspegel des Verstärkers ist eine Funktion des Verstärkungsgrades des Operatorverstärkers 50. Dieser wird bestimmt durch den Wert des Kondensators 52 und wird gleich einem vorgegebenen Wert Volt/ Coulomb sein. Hierzu ist zu bemerken, daß in der Beschreibung der Figuren 3 und 4 verschiedene Operatorverstärker gezeigt werden und daß gemäß der üblichen Praxis diese Verstärker mit einer geeigneten Spannungsversorgung ausgestattet werden. Beispielsweise, kann von Sammelleitungen eine positive und negative Spannung von 12 V in an sich bekannter Weise geliefert werden. Zur größeren Klarheit der Abbildung sind jedoch diese Leistungsanschlüsse für die verschiedenen Operatorverstärker weggelassen worden.

Der Verstärker 3¹J mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades ist kapazitiv an den Verstärker 32 durch einen Kopplungs-' kondensator 55 gekoppelt. Dieser ist angeschlossen an den Ver-

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bindungspunkt eines Spannungsteilernetzwerkes, bestehend aus den beiden Widerständen 64 und 66, das zwischen die positive Sammelleitung 53 und eine gemeinsame Sammelleitung oder Masseleitung 54 eingefügt ist. In dem Verstärker 34 mit automatischer Regelung des· Verstärkungsgrades ist ein Operatorverstärker 56 in Standardausführung enthalten, dessen Verstärkungsgrad durch das Verhältnis der beiden Widerstände.58 und 60 bestimmt ist, die in Reihe zwischen die Masseleitung 5¹I und den Ausgang des Verstärkers 56 geschaltet sind, wobei ihr Verbindungspunkt mit dem umkehrenden Eingang des Operatorverstärkers 56 verbunden ist. Um am Verstärker 34 ein Ausgangssignal mit im wesentlichen konstanter Spannung zu erhalten, ist es notwendig, daß dieser Verstärker einen variablen Verstärkungsgrad besitzt. Diese Fähigkeit des Verstärkers zur Änderung des Verstärkungsgrades wird erreicht durch Verwendung eines Feldeffekttransistors 59, bei dem die Kathode (source)als Eingang für' das normale Eingangs?· signal des Operatorverstärkers 56 geschaltet ist. Im wesentlichen erscheint der Feldeffekttransistor 59 für den normalen Eingang

des Operatorverstärkers 56 als ein variables Widerstandselement, wobei der Betrag des Widerstandes -bestimmt ist durch die Spannung an der Gitterelektrode des Feldeffekttranssitors 59· Wie bereits zuvor erwähnt, wird das Eingangssignal von dem Verstärker 32 zu dem Verstärker 34 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades über einen Kopplungskondensator 55 zugeführt, der am Verbindungspunkt der beiden Widerstände 66 und 64 angeschlossen ist. Der Widerstand 66 ist dabei ein Potentiometer und besitzt einen Schleiferkpntakt 67. Der Schleifer 67 des Potentiometers 66 ist kapazitiv an die Anodenelektrode (drain) des Feld-, effekttransistors 59 über einen Kopplungskondensator 62 gekoppelt. Der Zweck des variablen Eingangs über einen Schleiferkontakt 67 besteht darin, das Eingangssignal zum Operatorverstärker in dem allgemeinen Wertebereich für den Anwendungsfall zu halten. Wie bereits vorstehend erwähnt, erscheint der Feldeffekttransistor im Operatorverstärker 56 als ein variabler Widerstand, und dieser zwischen der Anode und der Kathodenelektrode vorhandene Wider-

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stand ist eine Funktion der Spannung, welche an der Gitterelektrode des Feldeffekttransistors 59 erscheint. Der variable Widerstand des Feldeffekttransistors 59 liegt in Reihe mit einem Widerstand 68, dessen freies Ende an die Masseleitung angeschlossen ist. Der Feldeffekttransistor 59 und der Widerstand 68 bilden einen Spannungsteiler, wobei der Mittenpunkt des Spannungsteilers mit dem normalen Eingang des Operatorverstärkers 56 verbunden ist.

Der V/i der s tandswert des Feldeffekttransistors 59 ist eine Funktion der Spannung an seiner Gitterelektrode, und dieser Widerstand bestimmt den Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers 34 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades. Zur Änderung der Spannung an der Gitterelektrode wird auf einer Leitung 38 (s. Figur 2) ein Signal von der Schaltung 36 für gleichgerichteten Spannungsmittelwert erhalten, das der Reihenschaltung eines variablen Widerstandes 72, eines Widerstandes 74 und eines Widerstandes 76 zugeführt wird, wobei das freie Ende des letzteren mit der negativen Sammelleitung verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände 74 und 76 bildet cen Eingangspunkt für die Basis eines Transistors 70, dessen Emitter mit der gemeinsamen Sammelleitung und dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt der Gitterelektrode des Feldeffekttransistors 59 und eines Widerstandes 82 verbunden sind. Das freie Ende des Widerstandes 82 ist mit der positiven Sammelleitung verbunden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 34 wird durch den Mittelwert des gleichgerichteten Stroms der- Schaltung 36 auf. folgende Weise beeinflußt. Der Grad des Stromdurchlasses im Transistor 70 wird durch das Signal von der Schaltung 36 zur Bildung eines gleichgerichteten Mittelwertes beeinflußt, und zwar gemäß dem auf der Leitung 38 erscheinenden Wert des Signals, wie er der Basis des Transistors 70 durch das Spannungsteilernetzwerk 72, 74 und 76 dargeboten wird. Das heißt, wenn das Signal in der der Basis des Transistors 70 zugeführten Form einen ausreichend hohen Wert be-

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sitzt, um den Transistor 70 stromdurchlässig zu machen, dann wird der Stromdurchgang im Transistor 70- die Spannung an der Gitterelektrode des Feldeffekttransistors 59 absenken, damit den effektiven Widerstand dieses Transistors erhöhen und daher den Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers 34 verringern. Der Verstärker 34 wird dann seinerseits ein Signal mit einem niedri-" geren Wert an die Schaltung 36 zur Erzeugung eines gleichgerichteten Strommittelwertes abgeben. Wenn andererseits das Signal auf der Leitung 38 einen niedrigeren ~Wert besitzt, dann' wird der Transistor eine Neigung besitzen, weniger Strom durchzulassen; dabei kann er sogar gesperrt werden. Hierdurch wird wiederum die Spannung an der Gitterelektrode des Feldeffekttransistors 59 vergrößert, sein effektiver Widerstand wird verringert und dadurch wird das Ausgangssignal vom Operatorverstärker 56 und da- . mit das Ausgangssignal vom Verstärker 34 vergrößert. Das auf diese Weise der Schaltung 3'6 zur Erzeugung eines gleichgerichteten Ausgangssignals zugeführte Eingangssignal neigt dazu, das Ausgangssignal zu vergrößern, welches, über die Leitung 38 wieder der Verstärkerschaltung 34 zugeführt wird. Der.Widerstand 72 wird vorzugsweise variabel ausgeführt, um die Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers 34 auf einen bekannten geeichten Wert einzustellen.

Figur 3 zeigt, daß bei dem Verstärker 34 ein Kondensator 78 und ein Widerstand 80 in Reihe zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors geschaltet sind. Diese Reihenschaltung dient als stabilisierendes RC-Glied, um eine Gesamt'stabilität in der Schal- tung 34 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades zu er-

Ve,r s t ärkungs grade s halten. Die Größe des/des Verstärkers 34 wird bestimmt durch die Größe des durchgelassenen Stroms im Transistor 70. Wenn der Transistor 70 voll eingeschaltet ist, dann wird die Spannung an der Gitterelektrode des Feldeffekttransistors 59 nahezu bei Null liegen, und wenn der Transistor 70 gesperrt ist, dann wird an dem Gitter ein relativ hoher Spannungswert vorhanden sein infolge der

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Auswirkung des Widerstandes 82, welcher das Gitter mit der positiven Sammelleitung verbindet. Zwischen die positive Sammelleitung und die gemeinsame Sammelleitung oder Masseleitung ist ein variabler Widerstand 84 geschaltet, dessen Schleiferkontakt einen Eingang für einen Widerstand 86 bildet, der mit dem umkehrenden Eingang des Operatorverstärkers 56 verbunden ist. Das Netzwerk der Widerstände 84 und 86 ergibt eine Einrichtung zur Einstellung der Nullpunktverschiebung (offset) des Verstärkers 56, um eine gewünschte ausgangsseitige Gleichspannung zu erzeugen. In die Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des Verstärkers 56 und dem umkehrenden Eingang des Verstärkers ist ein Kondensator 88 geschaltet und dient·als Filterkondensator, um Rauschsignale zu beseitigen, welche sonst dem Eingang dieses Verstärkers zugeführt werden könnten. Die Zeitkonstante des Kondensators 88 und des Widerstandes 60 ist so bemessen, daß am Ausgang" des Operatorverstärkers die interessierenden Frequenzbereiche vorhanden sind und andererseits Rausch- oder Störfrequenzen zurückgewiesen werden.

Figur 4 zeigt· in Verbindung mit Figur 2, daß das Ausgangssignal vom Verstärker 34 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades das Eingangssignal 'für die Schaltung J>6 zur Erzeugung eines gleichgerichteten Mittelwertes und auch für die Spitzenwert-Detektorschaltung 39 bildet. Es wird zunächst die Schaltung 36 zur Bildung eines gleichgerichteten Mittelwertes unter Bezugnahme auf die Wellenformen nach Figur 6 beschrieben. Die Wellenformen der Figur 6 stellen idealisierte Wellenformen dar (ausgehend von einer Sinuswelle) und es wird anerkannt, daß dieser Idealfall in der Praxis möglicherweise nicht vorhanden sein wird. Die anhand der Darstellung gegebene Analyse und Erläuterung ist jedoch auch dann gültig.

Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß die Schaltung 36 zur Erzeugung eines gleichgerichteten Mittelwertes zwei Operatorverstärker

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und 102 enthält. Der Verstärker 100 zusammen mit- einer zugehörigen Schaltung führt eine Vollweggleichrichterfunktion aus und dient als ein präzises Verstärkerteil und Filternetzwerk. Das Signal vom Verstärker 54 mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades wird über einen Widerstand 104 dem umkehrenden Eingang des Operatorverstärkers 100 zugeführt, dessen normaler Eingang mit der gemeinsamen Sammelleitung 54 verbunden ist. Dieses Eingangssignal ist in Fig. 6 in der obersten Wellenform für den Idealfall als Sinuswelle- dargestellt. Der Ausgang des Verstärkers 100 ist mit der Anode einer Verklammerungsdiode 106 verbunden, deren Kathode mit dem umkehrenden Eingang dieses Verstärkers verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 100 ist weiterhin mit der Kathode einer zweiten Diode 108 verbunden. Die Anode dieser Diode ist mit dem Verbindungspunkt eines Widerstandes 110 und eines zweiten Widerstandes 112 verbunden, wobei das freie Ende des Widerstandes 112 ebenfalls an den umkehrenden Eingang des Verstärkers 100 angeschlossen ist. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 100 wird bestimmt durch das Verhältnis der Widerstände · 104 und 112, wenn der Verstärker 100 in seinem linearen Bereich arbeitet, d.h. wenn das Eingangssignal positiv ist. Wenn das Eingangssignal negativ ist, wird der Ausgang des Verstärkers 100 durch die Diode 106 auf einen maximalen Wert von etx^a 6/10 V positiv verklammert. Die Diode 108 dient dazu, den Spannungsabfall über der Diode 106 in der Rüekwärtsrichtung zu kompensieren. Das heißt, sie besitzt ebenfalls 'einen Spannungsabfall von etwa 6/10 V, so daß bei negativem Eingangssignal am Operatorverstärker 100 an der Anode der Diode 108 eine.Spannung von etwa 0 Volt erscheint.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Widerstände 104 und 112 so ausgewählt, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers 100 etwa 1 -beträgt. Da die negative Hälfte der eingangsseitigen Wellenform unterdrückt wird, ist das Ausgangssignal des Verstärkers 100, betrachtet als Strom (i₂) durch den Widerstand 110, eine Vielzahl von negativ verlaufenden HaIb-

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Perioden einer Sinuswelle, welche in Phr.se sind mit den positiv verlaufenden Halbperioden der eingangsseitigen Welle und die gleiche Amplitude besitzen. Das Ausgangssignal des Verstärkers ist in der zweiten Kurve der Figur 6 dargestellt, welche mit bezeichnet ist.

Das Ausgangssignal von dem Verstärker J>k mit automatischer Regelung des Verstärkungsgrades wird auch über 2 Widerstände 114 und 116 einem Summierungspunkt 118 zugeführt, der noch mit dem freien Ende des Widerstandes 110 verbunden ist. Wenn die Widerstände 114, 116 und 110 alle den gleichen Wert besitzen und noch angenommen wird, daß keine Signalabschviächung in der Schaltung des Verstärkers 100 erfolgt, dann werden am Verbindungspunkt Signale mit dem Verhältnis 2:1 zugeführt. Das erste dieser Signale sind die Impulse der negativen Halbperiode der Sinuswelle vom Verstärker 100, gesehen durch den Widerstand 110, und das zweite Signal ist das volle eingangsseitige Sinuswellensignal, gesehen durch die Widerstände 114 und 116. Dabei besitzt dieses letztere Signal eine Spitzenamplitude, die etwa die Hälfte der Spitzenamplitude des Signals vom Verstärker 100 beträgt. Am Verbindungspunkt 118 ergibt sich dabei als Summe dieser beiden Signale ein Signal, welches einer negativen Vollweggleichrichtung des EingangsSignaIs entspricht und einen Wert von etwa der Hälfte dieses Signals besitzt. Dies ist in Figur 6 dargestellt durch die dritte Wellenform, welche bezeichnet ist als "Eingangssignal des Operatorverstärkers 102". Dieses zusammengesetzte Signal wird dem umkehrenden Eingang des Verstärkers 102 zugeführt. Der normale Eingang des Verstärkers ist mit der gemeinsamen Sammelleitung verbunden, und sein Verstärkungsgrad wird bestimmt durch den Wert eines Widerstandes 120, der in einen Rückkopplungsweg zwischen dem Ausgang des Verstärkers 102 und dem Verbindungspunkt 118 eingefügt ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers ist proportional der Summierung der beiden eingangsseitigen Ströme i. und ip (mit Maßstabsänderung durch die Rückkopplung über den Widerstand 120), und im wesentlichen ist dies ein

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konstanter Gleichstrompegel (dieses Signal ist in Pig. 6 als Volt" auf der untersten Kurve wiedergegeben). Zwischen den Ausgang des Verstärkers 102 und den Verbindungspunkt 118 ist ein Kondensator 122 eingefügt und dient als Filterkondensätor. Das Ausgangssignal von der Schaltung J>S erscheint auf der Leitung und wird als eingangsseitige's Regelsignal dem Verstärker 3^ gemäß der Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 zugeführt.

Das Ausgangssignal vom Verstärker 3^ mit'automatischer Regelung des Verstärkungsgrades bildet auch ein Eingangssignal für den Spitzenwertdetektor 39· Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 34 nach positiven Werten verläuft, wird das Signal über eine Diode 130 zugeführt, welche in einer solchen Richtung gepolt ist, daß sie positiv verlaufende Signale durchläßt. Der Wert eines Spitzensignals dient zur Aufladung eines Kondensators 132, welcher zwischen die Kathode einer Diode 130 "und die gemeinsame Sammelleitung 5^ positiv an der oberen Belegung des Kondensators gemäß Figur 4 geschaltet ist. Der Wert der Ladung auf dem Kondensator 132 entspricht dem Spitzenwert des zugeführten Signals. Wenn das eingangsseitige Signal unter diesen Spitzenwert absinkt, wird die positive Ladung auf dem Kondensator 132 die Diode in Sperrichtung vorspannen und sperren und auf diese Weise wird die Ladung auf dem Kondensator beibehalten. Parallel zum Kondensator 132 liegt ein Widerstand 13^ mit einem hohen Wert des ohm'sehen Widerstandes. Dieser dient als Ableitwiderstand für den Kondensator 132, so daß sich der Kondensator 132 zwischen eingangsseitigen Signalspitzen oder Spitzensignalen sehr langsam entladen kann. Die obere Belegung des Kondensators 132 ist mit dem normalen Eingang eines Operatorverstärkers 136 verbunden. Dieser stellt einen Verstärker des Typs mit Folgeschaltung (follower type) dar und liefert an seinem Ausgang ein Signal oder eine Spannung, welche proportional ist der Eingangsspannung. Der Verstärker ergibt daher eine Impedanzwandlung auf einen Ausgang mit niedriger Impedanz. Zwischen den Ausgang

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des Verstärkers 136 und seinen umkehrenden Eingang ist eine Parallelschaltung einer Diode 138 und eines Widerstandes I¹IO geschaltet, Vielehe einen Rückkopp lungs weg bildet, um den Verstärker 136 als Folgeverstärker mit Umkehrung zu schalten. In der üblichen Weise folgt der Ausgang dem nicht umkehrenden Eingang des Verstärkers 136, wenn dieser zu positiven Werten geht und die Diode D2 zieht den umkehrenden Eingang auf positive Werte. Da der Eingang zum Spitzendetektor 39 ein Signal mit konstantem Mittelwert ist, bestimmt durch den Verstärker 3^, ist das Ausgangssignal des Detektors 39 proportional dem Spitzenwert des Eingangssignals. Wenn daher beispielsweise das Eingangssignal einen Mittelwert von 1 Volt besitzt, dann wird das Ausgangssignal das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert und dem Mittelwert des Eingangs darstellen. Selbstverständlich ist der Wert von 1 Volt lediglich zur Veranschaulichung gewählt und der Mittelwert kann jede vorgegebene Größe einnehmen, wobei dann das Ausgangssignal der Schaltung proportional hierzu transformiert wird. Daher ist ersichtlich, daß eine relativ einfache und wirtschaftliche Schaltung angegeben wurde, welche an ihrem Ausgang ein Signal liefert, das proportional ist dem Verhältnis zwischen dem eingangs seitigen Spitzenspannungswert und dem eingangsseitigen' Mittelwert der Spannung.

Vorstehend wurde, eine gegenwärtig als bevorzugt betrachtete Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Fachmann wird jedoch leicht mögliche Änderungen erkennen. Beispielsweise könnte als Bezugswert für die Messung des Spitzenwertes ein anderer Wert als der Mittelwert verwendet werden,-beispielsweise ein Effektiv-

Schaltung zur

wert. In diesem Falle würde dann die/Bildung eines gleichgerichteten Mittelwertes gemäß der vorstehenden Beschreibung durch eine Schaltung ersetzt werden, welche anstatt eines solchen Mittelwertes einen Effektivwert liefert. Solche Schaltungen sind bekannt; sie sind jedoch etwas komplizierter als die dargestellte Schaltung zur Mittelwertbildung. Die übrigen Aspekte der erfindungsgemäßen Schaltung sind jedoch die gleichen und die gleichen Grundprinzipien sind anwendbar.

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Claims

atent ansprüche "

Spannungs-Ratiodetektor mit einem zur Aufnahme eines zusammengesetzten Eingangssignals eingerichteten Verstärker, welches ein Untergrundteil mit einem ersten allgemeinen Pegel und einen Spitzenteil mit .einem Spitzenteil mit einem zweiten allgemeinen höheren Pegel besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (3²O weiterhin eine Regeleinrichtung (38) zur Aufrechterhaltung eines Ausgangssignals gemäß dem'Wert eines zugeführten Regelsignals besitzt und eine Proportipnalschaltung (36), zur Aufnahme des Ausgangssignals von dem Verstärker und zur Abgabe eines an · die Regeleinrichtung des Verstärkers zugeführten Regelsignals geschaltet ist, wobei das Regelsignal eine vorgegebene Beziehung bezüglich des Ausgangssignals vom Verstärker (3²O aufweist, und eine Spitzenwertdetektoreinrichtung (39) vorhanden ist, zur Erzeugung eines Endsignals aus dem Ausgangssignal des Verstärkers mit einem Wert, welcher eine festgelegte Proportion zum Wert des Regelsignals besitzt.
2. Spannungs-Ratiodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Proportionalschaltung (36) zur Erzeugung eines Regelsignals in Form eines Mittelwertes des Ausgangssignals des Verstärkers vorgesehen ist. ■
3. Spannungs-Ratiodetektor nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, " daß eine Proportionalschaltung zur Erzeugung eines Regelsignals in Form des Effektivwertes des Ausgangssignals des Verstärkers vorhanden ist.
4. Spannungs-Ratiodetektor nach Anspruch 1 zur Verwendung als Schaltung zur Signaturanalyse einschließlich eines Wandlers zur Erzeugung eines Eingangssignals in Abhängigkeit von vor-

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handenen Eigenschaften der analysierten Einrichtung, wobei das Signal einen ersten Anteil entsprechend einem Untergrundzustand und einen zweiten Anteil entsprechend einem Fehlerzustand der Einrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (3¹O zur Aufnahme des Signals vom Wandler (30). und zur Erzeugung eines Anteils des zusammengesetzten Ausgangssignals mit im wesentlichen konstanter Amplitude und einem-überlagerten Spitzenteil mit im wesentlichen konstanter Amplitude gemäß dem Wert des zur Regeleinrichtung in dem Verstärker zugeführten Regelsignals geschaltet ist.
5. Spannungs-Ratiodetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (30) ein piezoelektrischer Kristall ist.

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