DE2317023B2

DE2317023B2 - Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Zusammenhangs zwischen dem Ausgangssignal eines Meßgebers und einer MeBgröße

Info

Publication number: DE2317023B2
Application number: DE2317023A
Authority: DE
Inventors: Karlhans Dipl.-Ing. 7771 Owingen Schwarz
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1973-04-05
Filing date: 1973-04-05
Publication date: 1980-08-07
Also published as: DE2317023A1; FR2224737A1; US3855466A

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 i_R über einen Widerstand 26 ebenfalls auf den Eingang des Präzisionskomparators 14 geschaltet ist.

Der Präzisionskomparator 14 liefert Ausgangssignale unterschiedlicher Polarität, je nachdem, ob I₁ <i_R oder i_R <i_e. Diese Signale gehen auf den Eingang des Integrators 16, dessen Ausgang entsprechend ansteigt oder abfällt, so daß i_t = i_R 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

Patentansprüche:

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

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.