DE2317023B2 - Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Zusammenhangs zwischen dem Ausgangssignal eines Meßgebers und einer MeBgröße - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Zusammenhangs zwischen dem Ausgangssignal eines Meßgebers und einer MeBgrößeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, daß bei Turbinentriebwerken an Flugzeugen die Arbeitstemperatur der Turbinenschaufeln
einen wichtigen Parameter für Leistung und Lebensdauer der Turbine darstellt. Diese Schaufeltemperatur
wird um so kritischer, je höher die Volumenleistung des Triebwerks ist. Es ist bekannt, die
Temperatur der Turbinenschaufeln mittels eines optischen Pyrometers zu messen. Dabei werden an die
Genauigkeit dieses Pyrometers extreme Anforderungen gestellt.
Das Pyrometer besteht aus einer im wesentlichen als Stromquelle wirkenden Meßzelle, die von der
Strahlung der zu überwachenden Stelle der Turbinenschaufel beaufschlagt ist. Diese Meßzelle muß zur Erzielung
reproduzierbarer Meßwerte auf einen möglichst idealen Kurzschluß als Verbraucher arbeiten.
Solche Meßzellen haben nämlich die Eigenschaft, daß bei endlich hohem Lastwiderstand die an der Meßzelle
abfallende Spannung unabhängig von dem auffallenden Lichtstrom im wesentlichen konstant, also nicht
als Ausgangssignal geeignet ist. Bei Kurzschluß der Meßzelle ergibt sich eine eindeutige Abhängigkeit des
erzeugten elektrischen Stroms von der einfallenden Lichtenergie. Bei endlichen Werten des Lastwiderstandes
ändert sich die Widerstandskennlinie der Last in unkontrollierter Weise dadurch, daß die Meßzelle
einen Parallelwiderstand besitzt, den man als zu dem Lastwiderstand parallelgeschaltet ansehen muß und
der sich mit der Meßzellentemperatur stark ändert.
ι Es isi bekannt, die Meßzelle auf einen sehr hoch verstärkenden
Operationsverstärker zu schalten, dessen Eingangswiderstand durch eine passend dimensionierte
Gegenkopplung nahezu auf den Wert null gebracht ist.
κι Man erhält dann eine dem Ausgangsstrom der
Meßzelle proportionale Ausgangsspannung, die sehr stark nichtlinear- etwa exponentiell — mit der Temperatur
der überwachten Stelle der Turbinenschaufel anwächst. Man muß daher diese Kennlinie der Meß-
r> zelle linearisieren.
Es sind zu diesem Zweck analoge Linearisierungsschaltungen bekannt. Bei einer bekannten Anordnung
liegt die Meßzelle an dem entsprechend beschalteten Operationsverstärker mit dem Eingangswiderstand
-'(ι null. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers liegt
an einem weiteren Verstärker, in dessen Gegenkopplungszweig ein entsprechend der Nichtlinearität der
Meßzelle nichtlineares Glied liegt, z. B. eine Diode, die - ggf. über einen Spannungsteiler - in dem expo-
J-. nentiell verlaufenden Anfangsbereich ihrer Kennlinie
arbeitet. Damit läßt sich für einen zu messenden Temperaturbereich
von 600° C bis 1000° C eine Genauigkeit von etwa ± 10° C erreichen. Diese Genauigkeit
reicht für die Überwachung moderner Triebwerke
in nicht aus. Es ist daher versucht worden, die Genauigkeit
durch Verwendung von Dioden-Widerstands-Netzwerken in der Rückführschleife des Verstärkers
weiter zu erhöhen. Damit können bei entsprechend hohem Aufwand für den genannten Temperaturbe-
r. reich Genauigkeiten bis zu ±2,5° C ereicht werden.
Durch die DE-OS 1797236 ist eine Schaltungsanordnung
zur Linearisierung der Anzeige eines Densitometers bekannt. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung
liegt eine Spannung über einen Photowi-
Hi derstand am Eingang eines Operationsverstärkers.
Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über eine als Gegenkopplungsschleife wirkende Diode mit dem
Eingang verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers liegt an einem Eingang eines Komparators.
-r. Der Ausgang des Komparators steuert über UND-Glieder
die Einzahlung von Impulsen eines Impulsgenerators in einen Zähler, wobei die Impulse in Abhängigkeit
vom Schaltzustand des Komparators auf den Vorwärtseingang des Zählers gegeben werden. Die
,ο UND-Glieder mit dem Impulsgeber und dem Zähler
bildenen einen A/D-Wandler. Der Zählerstand, der zugleich das digitale Ausgangssignal liefert, wird
durch einen Digital-Analog-Wandler in ein analoges Signal umgesetzt. Das analoge Signal beaufschlagt ein
Vi Diodennetzwerk, welches ein den nichtlinearen Zusammenhang
zwischen Meßgröße und Gebersignal speicherndes Element darstellt. Das Diodennetzwerk
gibt ein Rückführsignal auf den anderen Eingang des Komparators.
mi Diese bekannte Anordnung liefert ein digitales
Ausgangssignal. Die Linearisierung erfolgt jedoch auch hier analog mittels eines Diodennetzwerks und
mit den bei diesem gegebenen Grenzen.
Tatsächlich wird jedoch in vielen Fällen cine Ge-
h·) nauigkeit von ±1°C verlangt.
Man könnte versuchen, die Linearisierung auf digitalem Wege vorzunehmen, indem der analoge Meßwert
durch einen Analog-Dieital-Wandler in einen
entsprechenden digitalen Wert umgesetzt wird. Dieser digitale Wert könnte auf einen Programmspeicher
(ROM) gegeben werden, der eine zu der Meßzellenkennlinie inverse Funktion gespeichert enthält, so daß
er einen der Temperatur proportionalen digitalen Ausgang liefern würde. Dieser digitale Ausgang kann
dann mittels eines Digital-Analog-Wandlers wieder in ein temperaturproportionales analoges Signal i;mgesetzt
und z. B. über einen Ausgangspuffer in einem Regelkreis verarbeitet werden.
Eine einfache Überlegung zeigt jedoch, daß dieses Verfahren für den diskutierten Fall eines optischen
Pyrometers mit einer Meßzelle von exponentieller Kennlinie einen unverhältnismäßig hohen Aufwand
erfordert. Die Steigungen der Meßzellen-Kennlinien sind zu Beginn (z. B. bei 600° C) und am Ende des
Meßbereichs (z.B. bei 1000° C) stark verschieden und verhalten sich etwa wie 1:100. Bei niedrigen
Temperaturen bewirkt eine Temperaturänderung um 1 ° C nur eine geringe Änderung des Meßzellenstromes.
Es muß also das analoge Signal sehr fein digital aufgelöst werden, wenn man die geforderte Genauigkeit
von 1° C erreichen will. Am oberen Ende des Meßbereichs führt dagegen eine derart hohe digitale
Auflösung zu nicht mehr sinnvollen Zahlenangaben. In der Praxis würde man für die geforderte Genauigkeit
eine digitale Auflösung des analogen MeL /ellensignals
in wenigstens 14 Bit benötigen. Das erfordert einen erheblichen Aufwand, da bekanntlich für eine
Digitalisierung in mehr als 8 Bit der Aufwand wegen der damit verbundenen Präzisionsarbeit überproportional
mit jedem weiteren Bit ansteigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für nichtlineare Meßgeber mit vertretbarem Aufwand
eine hochgenaue Linearisierung des Meßgebersignals zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst.
Am Eingang der Rückführschleife hängt das Signal definitionsgemäß linear von der Temperatur ab. Die
digitale Auflösung dieses Signals richtet sich dann nach der geforderten Genauigkeit. Sollen 1000° Cauf
1 ° C genau gemessen werden, was einer Genauigkeit von I1V1111 entspricht, dann genügen hierfür 10 Bit entsprechend
1024 Schritten. Jedem der Schritte wird über den Programmspeicher ein Rückfühnignal zunächst
in digitaler Form zugeordnet. Dieses Rückführsignal wird durch einen Digital-Analog-Wandler
wieder in ein entsprechendes Analogsignal umgesetzt und am Eingang des Verstärkerzweiges dem Meßgebcrsignal
entgegengeschaltet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.
Dem Komparator werden die Ströme von dem Meßgeber und der Rückführschleife zugeführt. Er hat
einen Eingangswiderstand von annähernd nuil und
liefert ein Ausgangssignal der ein^n oder der anderen
Polarität, je nachdem welcher der Ströme größer ist. Entsprechend steigt das Ausgangssignal des Integrators
an oder sinkt ab, und über die Rückführschleife werden die Eingangsströme des !Comparators gleichgemacht.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform. Die einzelnen Blöcke dieses
Blockschaltbildes sind dabei handelsüblich erhältliche integrierte Bausteine und daher nicht im einzelnen
beschrieben.
Mit 10 ist ein Meßgeber bezeichnet, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Meßzelle eines optischen
Pyrometers ist und als Stromquelle dargestellt ist. Der Meßgeber 10 hat einen inneren Parallelwiderstand
12, der bei einer Meßzelle sehr stark von der Umgebungstemperatur der Meßzelle abhängt.
Der Ausgangsstrom des Meßgebers 10 geht auf den Eingangeines Präzisionskomparators 14, dessen Eingangswiderstand
annähernd einen idealen Kurzschluß darstellt. Der Ausgang des Komparators 14 liegt am
Eingang eines Integrators 16. Vom Ausgang des Integrators 16 auf den Eingang des Komparators 14 ist
eine Rückführschieife 18 geführt. Diese Rückführschleife enthält einen Analog-Digital-Wandler 20 für
vorzugsweise 10 Bit. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers
20 liegt an einem Programmspeicher 22 (ROM = Read Only Memory) an, in welchem für die
durch den Wandler 20 gegebenen 1024 Stufen, in die das Integratorausgangssignal aufgelöst ist, die Werte
der Meßgeberkennlinie gespeichert sind. Der digitale Ausgangswert des Programmspeichers 22 liegt an einem
Digital-Analog-Wandler 24 an. Der Digital-Analog-Wandler
24 liefert wieder ein analoges Rückführsignal, welches als Strom iR über einen Widerstand
26 ebenfalls auf den Eingang des Präzisionskomparators 14 geschaltet ist.
Der Präzisionskomparator 14 liefert Ausgangssignale unterschiedlicher Polarität, je nachdem, ob
I1 <iR oder iR
<ie. Diese Signale gehen auf den Eingang des Integrators 16, dessen Ausgang entsprechend
ansteigt oder abfällt, so daß it = iR gehalten
wird. Unter Berücksichtigung der nichtlinearen Rückführung ist dann der Ausgang des Integrators
proportional der Temperatur, und zwar mit einer Genauigkeit von z. B. ± 1 ° C. Der analoge Ausgang des
Integrators 16 wird über einen Ausgangspuffer 28 als Ausgangs-Meßspannung U1 z. B. für einen Temperaturregelkreis
abgenommen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Zusammenhangs zwischen dem Ausgangssignal
eines Meßgebers und einer Meßgröße mit
a) einer an den Meßgeber angeschlossenen Verstärkerschaltung,
b) einer zwischen Ein- und Ausgang der Verstärkerschaltung gelegten Rückkopplungsschleife, die enthält:
1. ein die Kennlinie des Meßgebers nachbildendes Element,
2. einen an den Ausgang der Verstärkerschaltung angeschlossenen Analog-Digital-Wandler,
3. einen Digital-Analog-Wandler,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
c) das die Kennlinie nachbildende Element aus einem digitalen elektronischen Festwertspeicher
(22) besteht, in den der Kennlinienverlauf eingespeichert ist, und
d) in der Rückkopplungsschleife (18) der Analog-Digital-Wandler (20), der Festwertspeicher
(22) und der Digital-Analog-Wandler (24) in der genannten Reihenfolge hintereinandergeschaltet
sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Verstärkerschaltung einen Komparator (14) und einen diesem nachgeschalteten Integrator
(16) umfaßt, und
b) die Rückkopplungsschleife (18) vom Ausgang des Integrators (16) zum Eingang des
Komparators (14) geführt ist.
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