DE2338406C3 - Vorrichtung zur Bestimmung des exponentiellen Mittelwertes einer Große - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des exponentiellen Mittelwertes einer Größe mit einer Kompensationseinrichtung, die aus einer ihr zugeführten, dem jeweiligen Meßwert proportionalen Größe und einer in der Kompensationseinrichtung

bildung der Windrichtung. Für meteorologische Untersuchungen werden maihematisch exakte Mittelwerte benötigt Auf diesem Gebiet wurde bisher versucht, den Mittelwert auf zyklischem Wege mittels elektromotorischer, mechanisch arbeitender Vorrichtungen zu bilden. Mit diesen Vorrichtungen konnte die Nachlaufcharakteristik jedoch nur über sehr kleine Winkel eingehalten werden. Die Bildung eines auch nur annähernd exakten Mittelwertes war mit solchen Vorrichtungen genauso unmöglich wie mii der eingangs geschilderten quasi linear arbeitenden Vorrichtung.

Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung einen setzbaren Phasenschieber enthält, der die Phase einer von einem phasenunabhängigen Impulsgenerator erzeugten zweiten Impulsfolge gleicher Frequenz in Abhängigkeit vom Zählerstand des Zählers verschiebt und einem Phasenvergleicher zuführt, der die Phasen der ersten und zweiten Impulsfolge vergleicht und das Differenzsignal als dritte Impulsfolge mit einer der Phasendifferenz direkt proportionalen Folgefrequenz sowie ein Vorzeichensignal zur Umsteuerung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers erzeugt. Diese Kompensationseinrichtung arbeitet vollständig mit zyklischen Größen und kann mit verhältnismäßig einfachen und unkomplizierten elektronischen Bauelementen verwirklicht werden.

Vorteilhaft ist diese Vorrichtung ferner dadurch gekennzeichne·, daß zur Erzeugung der ersten Impulsfolge ein ringförmiges Potentiometer mit zwei um 180° versetzten Schleifern dient, das an jeweils um 120° versetzten Punkten mit drei Ausgängen eines von dem Impulsgenerator synchronisierten Dreiecksgenerators verbunden ist, der drei je um 120° phasenverschobene Dreiecksspannungen erzeugt, wobei die Schleifer des Potentiometers mit den Eingängen eines Komparators verbunden sind, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang des Phasenvergleichers verbunden ist. An den Schleifern des Potentiometers werden Spannungen abgegriffen, die sich durch Addition der dem Potentiometer zugeführten Dreiecksspannungen auf der Widerstandsbahn des Potentiometers ergeben. Die Differenzspannung zwischen beiden Schleifern hat die vorteilhafte Eigenschaft, daß ihre Nulldurchgänge eine Phasendifferenz gegenüber der Phasenlage des Impulsgenerators aufweisen, die proportional zu der Winkelstellung der Schleifer ist. Der Komparator erzeugt folglich eine Impulsfolge mit der gewünschten winkelabhängigen Phasenlage, also die erste Impulsfolge. Es wird hierdurch ein impulsphasenmodulierender Winkelgeber zur Anzeige eines momentanen Winkels geschaffen, der sich durch große Einfachheit und hohe Genauigkeit auszeichnet und der universell zur Umwandlung einer beliebigen zyklischen Größe in ein digital verarbeitbares Signal geeignet ist. Vorteilhaft ist für den vorliegenden Anwendungsfall die Tatsache, daß das übliche ringförmige Potentiometer vorhandener Geräte, beispielsweise vorhandener Windmeßgeräte benutzt werden kann. Es können also z. B. Mittelwertgeräte, die nach dem elektromotorischen Nachlaufverfahren arbeiten, ohne große Kosten auf das erfindungsgemäße Verfahren umgerüstet werden.

Vorteilhaft ist die Vorrichtung weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Phasenvergieicher so ausgeführt ist, daß das Verhältnis von Ausgangsfrequenz zu Phasendifferenz regelbar ist oder daß der Phasenschieber bzw. der Vorwärts- Rückwärts-Zähler so ausgeführt ist, daß das Verhältnis von Zählerstand zu Phasenverschiebung regelbar ist. Durch einfache elektronische Maßnahmen wird erreicht, daß die Mittelungskonstante über sehr große Zeiträume verändert werden kann. So ermöglichen erfindungsgemäße

Vorrichtungen die Einstellung in einem Bereich von ca. 0,1 Sek. bis mehrere Stunden.

Schließlich ist die Vorrichtung vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber so ausgeführt ist, daß er beim 360°-Durchgang der Phase auf Null

rückstellt und/oder daß der Vorwärts-Rückwärts-Zähler derart ausgeführt ist, daß er bei dem dieser Phasenverschiebung entsprechenden Wert selbst auf Null rücksetzt. Bei digital arbeitenden Phasenschiebern und Zählern ist die Nullrücksetzung bei bestimmten

'5 Werten sehr einfach durchführbar. Es wird vermieden, daß die Zähler zu große Werte speichern müssen und daß die Phasenschieber, sofern sie nur bis zu gewissen Grenzwerten arbeitsfähig sind, diese Grenzwerte überschreiten.

In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise und schematisch dargestellt.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung dient zur Bildung des exponentiellen Mittelwertes der Richtung einer Wetterfahne 1. Diese ist auf einer drehbar gelagerten Achse 2 befestigt, an deren unterem Ende zwei um 180° versetzte Schleifer 3a und 3b eines ringförmigen Potentiometers 4 befestigt sind. Das Potentiometer besitzt drei feste Anzapfungen 5. Diese Anzapfungen sind jeweils um 120° auf dem kreisförmigen Potentiometer gegeneinander versetzt und sind über drei Leitungen 6 mit drei Ausgängen eines Dreiecksgenerators verbunden.

Der Dreiecksgenerator erzeugt drei identische, um je 120° phasenverschobene Dreiecksspannungen. Sein Synchronisierungseingang ist über eine Leitung 7 mit dem Ausgang eines Impulsgenerators verbunden. Die drei um je 120° phasenverschobenen Dreiecksspannungen, die an die Anzapfungen 5 des Potentiometers 4 gelangen, besitzen also die Frequenz des Impulsgenerators und sind gegenüber diesem phasenstarr.

Durch Überlagerung der drei in den Anzapfungen 5 eingespeisten Dreiecksspannungen auf dem Widerstand des Potentiometers 4 entsteht in jedem Punkt des Potentiometers eine durch die Schleifer 3a bzw. 3b abgreifbare Summenspannung. Die Differenzsummenspannung beider Schleifer besitzt die Eigenschaft, daß ihr Nulldurchgang in seiner Phase φι linear abhängig ist von der Winkelstellung der Schleifer. Die Phasenlage φι des Nulldurchganges der mit den Schleifern 3a und 3b abgegriffenen Differenzspannung ist also gegenüber der Phasenlage des Impulsgenerators um den Winkel phasenverschoben, der dem Winkel der Wetterfahne 1 gegenüber einer festen N ullage, also dem zu messenden Winkel φ entspricht.

Die Schleifer 3a und 3ö sind über Leitungen 8a und 8b mit den Eingängen eines Komparators verbunden. Dieser erzeugt je nach dem Vorzeichen der an seinen beiden Eingängen stehenden Differenzspannung der Schleifer an seinem Ausgang eine logische L oder 0. Er erzeugt somit eine Impulsfolge, deren Phasenlage die gewünschte Winkelabhängigkeit besitzt. Diese Impulsfolge gelangt als erste Impulsfolge über eine Leitung 8 zum ersten Eingang eines Phasenvergleichers. Der Ausgang des Impulsgenerators ist über eine Leitung 9 mit dem Eingang eines Phasenschiebers verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 10 mit dem zweiten Eingang des Phasenvergleichers verbunden ist und diesem eine pepeniihpr Hpt Phavpniaap Hoc imnulceono.

rators phasenverschobene zweite Impulsfolge zuführt. Der Phasenvergleicher vergleicht die Phasen der beiden auf den Leitungen 8 und 10 ankommenden Impulsfolgen. Diese beiden Impulsfolgen besitzen die gleiche Frequenz, da sie beide durch den Impulsgenerator synchronisiert werden. Die Phasenlage φι der auf der Leitung 8 ankommenden Impulsfolge ist bestimmt durch die Stellung der Schleifer und stellt also den augenblicklichen Wert dar, während die Phasenlage φ₂ der auf der Leitung 10 ankommenden Impulsfolge bestimmt ist durch die Stellung des Phasenschiebers.

Der Phasenvergleicher erzeugt an seinem ersten, mit einer Leitung 11 verbundenen Ausgang eine dritte Impulsfolge, deren Frequenz proportional zur Phasendifferenz Δφ zwischen der über die Leitung 8 ankommenden ersten Impulsfolge und der über die Leitung 10 ankommenden zweiten Impulsfolge ist. Die Leitung 11 ist mit dem Zähleingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers verbunden, der daher laufend die dritte Impulsfolge zählt. Der Vorwärts-Rückwärts-Umschalteingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers ist über eine Leitung 12 mit einem zweiten Ausgang des Phasenvergleichers verbunden, welcher das Vorzeichen der Phasendifferenz Δφ beispielsweise in Form einer Spannung abgibt. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler integriert folglich die dritte Impulsfolge, welche dem Betrag der Phasendifferenz proportional ist, unter Berücksichtigung des Vorzeichens dieser Phasendifferenz.

Am Ausgang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers steht die durch laufendes Zählen der Impulse der dritten Impulsfolge aufsummierte Zahl, welche sich je nach dem über die Leitung 12 übertragenen Vorzeichen ständig vergrößert bzw. verkleinert. Der Ausgang des Zählers ist über eine Leitung 13 mit dem Setzeingang des Phasenschiebers verbunden. Dieser ist so ausgebildet, daß er eine Phasenverschiebung erzeugt, welche proportional ist zu der an seinem Setzeingang erscheinenden, dem Zählerstand entsprechenden Zahl.

Der Ausgang des Zählers, der eine zur Phasenverschiebung proportionale Größe abgibt, ist über eine Leitung 14 mit dem Eingang einer Anzeigevorrichtung verbunden, welche diesen Wert, der dem gewünschten Mittelwert entspricht, in eine ablesbare Winkelanzeige umsetzt.

Wenn sich die Wetterfahne 1 ständig in einer Richtung dreht, muß der Phasenschieber die Phase φ₂ ständig in einer Richtung nachschieben. Sollte der Phasenschieber so ausgebildet sein, daß er die Phase nur über einen bestimmten Bereich verschieben kann, so empfiehlt es sich, den Phasenschieber nach einer Phasenverschiebung um 360° bzw. einem Vielfachen davon auf Null zurückzusetzen. Wenn dieses Zurücksetzen in einer gegenüber der Impulsfolgezeit sehr kurzen Zeit erfolgt, treten keine die dritte Impulsfolge störenden Fehler im Phasenvergleicher auf.

Bei der dieser Phasenverschiebung um 360° entsprechenden Zahl am Setzeingang des Phasenschiebers bzw. am Ausgang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers kann auch der Zähler auf Null zurückgesetzt werden, ohne daß die Funktion der Vorrichtung in einer den Mittelwert verfälschenden Weise beeinträchtigt wird. Durch dieses Rückstellen des Vorwärts-Rückwärts-Zählers wird dessen Größe bzw. Kapazität auf das Minimum beschränkt.

Die Änderung der Zeitkonstante der Mittelung kann an zwei Stellen der Vorrichtung erfolgen. Entweder wird das Verhältnis der Frequenz der dritten Impulsfolge zur Phasendifferenz Δφ zwischen der ersten Impulsfolge und der zweiten Impulsfolge verändert, so daß also der Zähler bei einer bestimmten Phasendifferenz am Phasenvergleicher schneller bzw. langsamer volläuft, oder es wird das Verhältnis der vom Zählerausgang auf den Setzeingang des Phasenschiebers übertragenen Zahl zur Phasenverschiebung verändert, so daß also im Verhältnis zu einer bestimmten Zahl im Zähler eine größere bzw. kleinere Phasenverschiebung erfolgt. Erreicht wird in beiden Fällen, daß bei einer Änderung der Phasenlage φ\ der ersten Impulsfolge die Phasenlage φ₂ der zweiten Impulsfolge schneller bzw. langsamer nachgeregelt wird, was einer Änderung der Konstanten C der Differentialgleichung der Nachlaufcharakteristik entspricht.

Die Steuerung der Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers über die Leitung 12 durch den zweiten Ausgang des Phasenvergleichers erfolgt derart, daß bei einer auftretenden Phasendifferenz Δφ zwi-

ao sehen den beiden Eingängen des Phasenvergleichers durch den Phasenschieber die Phase φι der zweiten

Impulsfolge auf dem kürzesten Wege der Phase φ\ der

ersten Impulsfolge nachgeführt wird.

Zum Verständnis der Funktion sei angenommen, daß

ij die Wetterfahne 1 plötzlich um einen bestimmten Winkel Δφ verdreht wird. Sie ist also gegenüber dem Mittelwert, der nur langsam folgt, um den Winkel Δφ verdreht. Durch die entsprechende Verdrehung der Schleifer 3a und 3b erfährt die erste Impulsfolge eine

Phasenverschiebung um denselben Winkel Δφ. Wenn zuvor die Phasenlage der ersten und der zweiten Impulsfolge übereingestimmt hatte, so besteht nunmehr zwischen den beiden Impulsfolgen eine Phasenverschiebung um den Winkel Δφ, um den die Wetterfahne 1

verdreht ist. Der Phasenvergleicher liefert nunmehr an seinem ersten Ausgang über die Leitung 11 Impulse der dritten Impulsfolge mit einer zu dieser Phasendifferenz Δφ proportionalen Frequenz. Die in den Vorwärts-Rückwärts-Zähler einlaufenden Impulse werden dort

entsprechend dem Vorzeichen der Phasendifferenz Δφ zu der schon im Zähler stehenden Zahl addiert bzw. subtrahiert, was einer Integration der dritten Impulsfolge und damit des Differenzsignals entspricht. Entsprechend der Änderung dieser, der integrierten Summe

entsprechenden Zahl ändert der Phasenschieber die Phasenverschiebung der zweiten Impulsfolge gegenüber der Phasenlage des Impulsgenerators.

Die Phasenlage φ₂ der zweiten Impulsfolge wird daher der Phasenlage φι der ersten Impulsfolge

angenähert. Dadurch verringert sich die Frequenz der dritten Impulsfolge. Bei weiterhin feststehender Wetterfahne 1 wird die Phasendifferenz Δφ am Phasenvergleicher laufend kleiner und entsprechend auch die Frequenz der dritten Impulsfolge kleiner. Die Ände-

rungsgeschwindigkeit φ der Phase der zweiten Impulsfolge ist bei dem oben beschriebenen Aufbau, wenn in allen Komponenten Linearität besteht, proportional zur Phasendifferenz Δφ und damit zur Differenz zwischen der Phasenlage φ₂ der zweiten Impulsfolge und der

Phasenlage φι der ersten Impulsfolge, welche der Winkelstellung der Wetterfahne 1 proportional ist. Die Phasenlage φ₂ der zweiten Impulsfolge stellt daher den exponentiellen Mittelwert der Richtung der Wetterfahne 1 dar, welcher bei weiterhin festgehaltener

Wetterfahne 1 asymptotisch, einer e-Funktion folgend gegen den augenblicklichen Wert hin läuft, entsprechend der Differentialgleichung

φ=· -C · Δφ .

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung des exponentiellen Mittelwertes einer Größe mit einer Kompensationseinrichtung, die aus einer ihr zugeführten, dem jeweiligen Meßwert proportionalen Größe und einer in der Kompensationseinrichtung eingestellten Kompensationsgröße ein in seiner Frequenz von der Differenz der Größen abhängiges Differenzsignal eingestellten Kompensationsgröße ein in seiner Frequenz von der Differenz der Größen abhängiges Differenzsignal bildet, und mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler, der das Differenzsignal in Abhängigkeit von der Polarität der Differenz der Größen zählt und mit seinem Zählerstand die Koinpensationsgröße steuert.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DT-OS 14 48 920 bekannt. Die Vorrichtung ermöglicht die Bildung des

f d di Bdi

bildet, und mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler, io exponentiellen Mittelwertes, für den die Bedingung gilt,

daß die Nachlaufgeschwindigkeit, mit der also der angezeigte Mittelwert dem Momentanwert folgt, proportional zur momentanen Differenz zwischen dem augenblicklichen Wert und dem Mittelwert ist.

Bei der bekannten Vorrichtung handelt es sich um eine Mittehvertvorrichtung für eine Waage. Das Problem der Mittelwertbildung ist hier stark vereinfacht, da der Meßbereich endlich ist und es sich bei dem angezeigten Gewicht um eine lineare Größe handelt.

Die Nachlaufbedingung kann daher auf verhältnismäßig einfache Weise streng erfüllt werden. Die bekannte Vorrichtung muß jedoch dann versagen, wenn nicht lineare Größen, sondern zyklische Größen gemittelt werden sollen. Bei zyklischen Größen, die nach einem Umlauf in sich selbst zurückkehren, führt eine quasi Linearisierung, die die Anwendung der genannten bekannten Vorrichtung erlauben würde, zu ungenauen Ergebnissen, da man eine zyklische Größe nur näherungsweise auf einen endlichen linearen Mittelungsbereich übertragen kann.

So wird beispielsweise mit der Konstruktion der DT-PS 15 48 635 ein solcher Versuch gemacht. Diese Konstruktion zeigt ein Gerät zur Bildung des Mittelwertes der Windrichtung. Diese Richtung stellt eine zyklische Größe mit dem zyklisch wiederkehrenden Bereich O bis 360° dar. Die bekannte Konstruktion linearisiert diese zyklische Größe durch Begrenzung des Meßbereiches auf einige wenige Umdrehungen. Bei Überschreiten dieses Meßbereiches, also bei wiederholter Drehung des Meßwertes in derselben Richtung, ergeben sich sinnlose Mittelwerte. Ein weiterer Nachteil dieser Konstruktion liegt darin, daß das Erfassen mehrerer Umdrehungen nur damit erreicht werden kann, daß diese Umdrehungen mit einem Untersetzungsgetriebe auf eine Umdrehung, also einen eindeutigen Bereich reduziert wird, wodurch sich auch die Anzeigegenauigkeit reduziert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Bildung des exakten Mittelwertes einer zyklischen Größe ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Winkelgeber eine von einer zu bestimmenden zyklischen Größe in ihrer Phase proportionale und eindeutig abhängige Wechselspannung bzw. Impulsfolge erzeugt. Als Meßgröße wird hier die Phase einer Wechselspannung bzw. Impulsgröße verwendet. Die Phase stellt eine zyklische Größe dar, die ohne Schwierigkeiten den Winkel der zu messenden zyklisehen Größe exakt wiedergeben kann. Die Mittelung der Phasenlage einer Wechselspannung stellt ebenfalls kein Problem dar, so daß es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstmals möglich ist, auf verhältnismäßig einfache Weise eine zyklische Größe mathematisch exakt zu mitteln. Der Umweg über die Linearisierung der zyklischen Größe, der stets zu Meßfehlern führt, kann entfallen. Von Vorteil ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vor allem auf dem Gebiet der Mittelwert-

der das Differenzsignal in Abhängigkeit von der Polarität der Differenz der Größen zählt und mit seinem Zählerstand die Kompensationsgröße steuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkelgeber eine von einer zu bestimmenden zyklischen Größe in ihrer Phase proportionale und eindeutig abhängige Wechselspannung bzw. impulsfolge erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung einen setzbaren Phasenschieber enthält, der die Phase einer von einem phasenunabhängigen Impulsgenerator erzeugten zweiten Impulsfolge gleicher Frequenz in Abhängigkeit vom Zählarstand des Zählers verschiebt und einem Phasenvergleicher zuführt, der die Phasen der ersten und zweiten Impulsfolge vergleicht und das Differenzsignal als dritte Impulsfolge mit einer der Phasendifferenz direkt proportionalen Folgefrequenz sowie ein Vorzeichensignal zur Umsteuerung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers erzeugt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der ersten Impulsfolge ein ringförmiges Potentiometer (4) mit zwei um 180° versetzten Schleifern (3) dient, das an jeweils um 120° versetzten Punkten (5) mit drei Ausgängen (6) eines von dem Impulsgenerator synchronisierten Dreiecksgenerator verbunden ist, der drei je um 120° phasenverschobene Dreiecksspannungen erzeugt, wobei die Schleifer des Potentiometers mit den Eingänger. (8a, 8b) eines Komparators verbunden sind, dessen Ausgang (8) mit dem Phasenvergleicher verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Phasenvergleicher so ausgeführt ist, daß das Verhältnis von Ausgangsfrequenz zu Phasendifferenz regelbar ist oder daß der Phasenschieber bzw. der Vorwärts-Rückwärts-Zähler so ausgeführt ist, daß das Verhältnis von Zählerstand zu Phasenverschiebung regelbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber so ausgeführt ist, daß er beim 360°-Durchgang der Phase auf Null rückstellt und/oder daß der Vorwärts-Rückwärts-Zähler derart ausgeführt ist, daß er bei dem dieser Phasenverschiebung entsprechenden Wert selbst auf Null rücksetzt.