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Nichtlinearer Frequenz-Digital-Konverter zur elektronischen Meßwertverarbeitung
Die Patentanmeldung betrifft ein Zusatzgerät für Meßwandler mit einem Frequenzausgang,
Frequenzen als Informationsträger ermöglichen die Viélfachübertragung von Meßsignalen
auf einer Leitung sowie eine problemlose Regenerierung und galvanische Trennung
dieser Signale. Auf der Basis verstimmbarer mechanischer Oszillatoren arbeitende
Meßwandler zeichnen sich durch hohe Langzeitstabilität aus., und bieten die Möglichkeit
einer direkten digitalen Signalverarbeitung. Steht hierfür kein Prozeßrechner zur
Verfügung, dann ist der im allgemeinen nichtlineare Zusammenhang zwischen Meßwert
und Frequenz allerdings nachteilig.
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Anwendung finden Wandler dieses Typs zur Druckmessung und zur Bestimmung
der Betriebsdichte von Gasen.
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Der nichtlineare-Frequenz-Digital-Konverter vermag bei Einspeisung
der Wandlerfrequenz auf ein Abfragesignal hin eine Digitalzalil zu liefern, die
innerhalb der hier angestrebten Genauigkeit gleich dem geeignet normierten Meßwert
ist. Die Voraussetzung dafür ist ein stetiger und monotoner Zusammenhang zwischen
Meßwert und Wandlerfrequenz sowie die Existenz einer oberen Schranke für den Absolutwert
der ersten Ableitung des Meßwertes nach der Frequenz.
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liii Rahmen dieser Einschränkungen kann der Konverter ferner so ausgelegt
werden, daß an seinem Ausgang statt des Meßwertes eine geeignet normierte Funktion
desselben in digitaler Form erscheint. Einsatzmöglichkeiten hierfür bietet die Durchflußmeßtechnik.
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Zur Prozeßsteuerung sind kurze Signalverarbeitungszeiten wichtig.
Als Eingangsgröße des Konverters findet deshalb nicht die Wandlerfrequenz, sondern
die hierzu reziproke Schwingungsdauer bzw. deren ganzzahliges Vielfaches Verwendung.
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Die folgenden Betrachtungen beziehen sich auf eine Schwingungsdauer
als Zeitbasis. Es wird ferner unterstellt, daß die Schwingungsdauer des Wandlers
mit dem Meßwert anwächst. Der Konverter
läßt sich jedoch auf Wandler.
mit fallender Kennlinie bzw. auf ein ganzzahliges Vielfaches dvr Schwingungsdauer
als Zeitbasis in einfacher Weise umschalten.
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Im nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter läuft, ausgelöst vom
Abfragesignal, jeweils innerhalb einer volien Schwingungsdauer erfindungsgemäß ein
Additionsvorgang ab, dessen Takt ein Quarzoszillator steuert und dessen abschnittsweise
konstante Summanden ein programmierbarer Festwertspeicher (pROM) liefert; bei geeigneter
Programmierung dieses Speichers erscheint als Additionsergebnis der digitalisierte
Meßwert am Konverterausgang.
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Die Kennlinie des Wandlers wird auf diese Weise mit einer Treppenfeinstruktur
stückweise linear approximiert.
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Da der Meßwert Null bei den genannten Wandlern einer endlichen Schwingungsdauer
entspricht, darf der Additionsvorgang erst nach Ablauf dieser Zeit einsetzen.
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Im Festwertspeicher ist der Kennlinienverlauf des Wandlers digital
mit zahlreichen Stützstellen fixiert. Die Langzeitstabilität des Systems Wandler/Konverter
wird damit allein durch den nadler bestimmt. Bei der Eingabe individueller Kennlinien
in einen Digitalrechner mit entsprechender Peripherie lassen sich die genannten
Festwertspeicher vollautomatisch für die jeweiligen Wandler programmieren. Eine
zeitraubende und kostspielige mechanische Wandlerjustierung kann damit. entfallen.
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Fig. 1 zeigt ein Beispiel für das Blockschaltbild des nichtlinearen
Frequenz-Digital-Konverters.
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In der Impulsformerstufe (10) erzeugt jeder Nulldurchgang des Meßwandlersignals
einen Rechteckimpuls. Wahlweise stehen hierfür die Eingänge (1j und (1') zur Verfügung,
je nachdem, ob beim Nulldurchgang die zeitliche Änderung des Signals positiv oder
negativ ist. Nachdem das Abfrage-Flipflop ( -vom Abfragesignal (2) gesetzt wurde,
läßt das als Tor wirksame Gatter (12) die Rechteckimpulse zur Signalweiche (13)
gelangen. In ihr erzeugt der erste ankommende Rechteckimpuls das Signal "Konversion
Start" (3), der folgende das Signal Konversion Stop"(4). Das Signal "Konversion
Start" setzt das Start/Stop-Flipflop (14), das Signal
"Konversion
Stop" löscht es über das Gatter (15) als Resetsignal (5). Dieses Resetsignal überführt
ferner versohiedene Schaltungsgruppen nach Abschluß des Konversionsvorgangs wieder
in den Grundzustand und löscht unter anderem das Abfrage-Flipflop (11); beim Anlegen
der Versorgungsspannung wird es von der Einschalt-Normierungseinheit (16) erzeugt.
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Das Start/Stop-Flipflop ist damit für eine volle. Schwingungsdauer
gesetzt und läßt während dieser Zeit über das als Tor wirksame Gatter (17) die Impulse
des Oszillators (18) zum Eingang des E-auptzählwerks --(19) gelangen. Dessen Inhalt
wird, ausgehend von dem zuvor in dieses Zählwerk gebrachten Anfangswert A, mit jedem
Oszillatortakt um Eins erhöht. Der Anfangswert, der auf das letzte Resetsignal hin
von der Schaltungsgruppe "Preset Hauptzählwerk auP Anfangswert" (20) aus (21) ins
Hauptzählwerk überführt wurde, ist negativ und so gewählt, daß unmittelbar vor Ablauf
der dem Meßwert Null entsprechenden Schwingungsdauer der Inhalt von (19) @leichfalls
Null erreicht. Dieser Zeitpunkt ist dadurch gekennzenchnet, daß die werthöchste
Zählstufe n des Hauptzählwerks von Eins auf Null springt; hierdurch werden über
die Schaltungsgruppen "Nulldurchgang/Summierung Start" (22), "Bereitstellung pROM"
(23) und "Bereitstellung Addierwerk" (24) der Festwertspeicher (25) und das Addierwerk
(26) aktiviert. Wir nehmen für die folgenden Betrachtungen an, daß der Festwertspeicher
32 Speicherplätze zu je 8 bit bietet.
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Am Hauptzählwerk sind an geeigneter Stelle fünf aufeinander folgende
Zählstufen - im Beispiel der Fig. 1 die Stufen m,-m + 1, m + 2, m + 3 und m + 4
- zur Adressierung des Festwertspeichers angezapft. Ehe die über (17). verlaufende
Einspeisung der Oszillatorsignale vom Signal"Konversion Stop" unterbrochen wird,
erhöht sich die aus fünf Binärstellen bestehende Adresse yon Null beginnend jeweils
nach 2m Oszillatortakten um Eins. Im Festwertspeicher. werden so von der Adressierung
nacheinander die Speicherplätze 0, 1, 2, ... 30, 31 angesteuert. Die Anzapfung ist
so gewählt, daß innerhalb des Meßbereichs die Adressierung nie. 32 erreicht und
einen ueberlauf zur Folge hat. Am Ausgang des Festwert
speichers
erscheinen damit jeweils für 2m Oszillatortakte die im Rahmen einer 8-bit-Darstellung
beliebig vorgebbaren konstanten Speicherinhalte Cv (v= O, 1, 2, ... 30, 31) und
werden dem ersten Summandeneingang des Addierwerks (26) zugeführt.
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Über den zweiten Eingang gelangt der Inhalt des Zwischenspeichers
(27) in das Addierwerk. Die in diesem gebildete Summe wird vom Ergebnisregister
übernommen, welches anschließend den Zwischenspeicher neu lädt. Ausgehend vom Basiswert
B, der am Schluß des vorangegangenen Konversionsprozesses durch das Resetsignal
(5) über die Schaltungsgruppe "Preset Zwischenspeicher auf Basiswert1' (28) aus
(29) in den Zwischenspeicher gebracht worden war, wird so der Inhalt des Addierwerks
im Oszillatortakt jeweils 2m mal um C0, C1, C2, ... Cx-1 erhöht. Der Oszillatortakt
steuert hierbei über die Schaltungsgruppe "Setzen des Registers" (31) das Ergebrisregister,
nachdem diese Gruppe ebenso wie (22), (23) und (24) von der werthöchsten Hauptzählwerkstufe
aktiviert wurde. Nimmt man an, daß nach R-maliger Addition der Größe Cx das Signal
1,Konversion Stop" den Additionsvorgang beendet und R<2m ist, dann steht im Ergebnisregister
das am Ausgang-parallel abgreifbare Ergebnis
über der Oszillatortaktzahl 2m(x - 1) + R als der unabhängigen Variablen aufgetragen,
stellt es die stückweise lineare Kennlinienapproximation mit Treppenfeinstruktur
dar. In dem zugrunde gelegten Festwertspeicher stehen Konstanten für 32 lineare
Kennlinienabschnitte zur Verfügung; mit dem Basiswert existieren 33 Approximations-Stützstellen.
Der Basiswert ist für eine ansteigende Kennlinie des Wandlers im alLgemeinen Null.
Läßt man Basiswerte * Null zu, dann sind damit definierte Nullpunktverschiebun gen
des Meßwertes möglich.
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Für den Additionsvorgang kommt eine reine Binärcodierung oder eine
gemischte Binär-BCD-Codierung in Frage, je nachdem, ob das Konversionsergebnis rechnerisch
weiterverarbeitet oder dezimal durch einen geeigneten Display angezeigt werden soll.
Um bei
einer dezimalen Anzeige die höhere Kapazität eines binär
codierten Festwertspeichers zu nutzen, ist eine Aufteilung des Addierwerks in einen
Binär- und einen BCD-Abschnitt vorteilhaft. Die BGD-Stufen bilden den werthöheren
Abschnitt; sie übernehmen den Übertrag der Binärstufen und steuern über das Ergebnisregister
den Display an. Den Binärstufen-wird die jeweilige Ausgangsgröße des Festwertspeichers
zugeführt. Je nach den Genauigkeitsanforderungen und dem Meßbereich kann dieser
Abschnitt beispielsweise 7 oder 3 Stufen umfassen. Bei 7 stufen wird das werthöchste
Speicherbib der wertniedrigsten BCD-StuSe zugeführt; bei 8 Stufen erhöht sich der
Inhalt des BCD-Abschnittes allein durch den Über-Zrag der Binärstufen. Unter Zugrundelegung
eines reduzierten Meßbereiches kann bei einer Ausführung mit 8 Binärstufen in die
vertniedrigste BCD-Stufe zusätzlich eine festverdrahtete logische Eins als neuntes
Bit eingespeist werden.
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Nach dem Signal "Konversion Stop" kann das Ergebnis dem Ergebnisregister
entnommen werden. Die entsprechende Information liefert das vom Signal "Sonversion
Stop" gesetzte Flipflop "Konversionsende" (32) als Spannungspegel "Bertigmeldung"(6).
Mit dem start eines neuen Konversionsvorgangs wird dieses Flipflop über die Schaltungsgruppe
"Löschen der Fertigmeldung"(33) wieder gelöscht.
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Die beiden folgenden Schaltungsgruppen sind zur Überwachung der Meßwandlerfunktion
vorgesehen.
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Unterschreitet der Wandler seine minimale Schwingungsdauer, dann erscheint
das Signal "Konversion Stop", bevor die werthöchste Zählstufe des Hauptzählwerks
von Eins auf Null gesprungen ist; über das Gatter (34) wird in diesem Fall die Schaltungsgruppe
"T <To/Bereichsunterschreitung"(35) angesteuert und gibt als Spannungspegel die
Störungsmeldung "Bereichsunterschreitung" (7) ab.
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Überschreitet der Wandler seine maximale Schwingungsdauer, dann erreicht
die Adressierung die Zählstufe m + 5 des Hauptzählwerks und damit Y >31; ; über
das Gatter (36) wird jetzt von der Zählstufe m + 5 und der Schaltungsgruppe "Nulldurchgang/Summierung
Start"(22)
die Schaltungsgruppe $"#>31/Bereichsüberschreitung" (n7) angesteuert und gibt
als Spannungspegel die Störungsmeldung "Bereichsüberschreitung"(8) ab.
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Um den Konverter auch an Meßwandler höherer Arbeitsfrequenzen ansohließen
zu können, ist es zweckmäßig, die Zeitbasis von einer Schwingungsdauer auf k Schwingungsdauern
umschaltbar aus zu legen. Hierfür ist an der Signalweiche der externe Eingang (38)
vorgesehen, mit dessen Hilfe über Steuerpegel k>1 gewählt werden kann.
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Charakterisiert den Meßwandler eine fallende Kennlinie, dann ist
B der Meßwert bei minimaler Schwingungsdauer. Alle ewerte bei höheren Schwingungsdauern
sind kleiner. Über den Steuregel (9) wird das Addierwerk in diesem Fall auf Subtraktion
@mgeschaltet. Die Störungsmeldungen "Bereichsüberschreitung"/"Bereichsunterschreitung"
sind sinngemäß zu vertauschen; alle übrigen Konverterfunktionen bleiben unverändert.
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Im Sinne einer rationellen Fertigung ist eine integrierte Zusammenfassung
der in Fig. 1 eingerahmten Baugruppen zu einem Baustein vorgesehen. Mit diesem zusammen-sind
der Festwertspeicher u-.d die Speicherplätze für AnSangs- und Basiswert, (21) und
(29), auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Die Speicherplätze für Anfangs-
und Basiswert werden, von einem Rechner gesteuert, mechanisch durch Trennen oder
Bestehenlassen von Leitungsbahnen auf der Leiterplatte programmiert.
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mine Einbettung der Leiterplatte und der Bauelemente in eine geeignete
Vergußmasse bietet Schutz gegen mechanische Einwirkungen.
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Versieht man die Leiterplatte mit einer aus der Vergußmasse überstehenden
Steckleiste, dann bildet der nichtlineare Frequenz-DigitalwXonverter eine robuste
und leicht austauschbare Baueinheit.
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Bei geeigneten Meßwandlern ist mit Hilfe des nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverters
eine preisgünstige rein digitale elektronische Meßwertverarbeitung möglich. Sie
soll an zwei Beispielen aus. der Gasmeßtechnik erläutert werden.
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1. Massendurchflußmessung mit Volumenzähler und Betrieb sdichtegeb
er Betriebsdichtegeber mit einem Frequenzausgang liefern eine mit steigender Dichte
sinkende Frequenz. Dem Stande der Technik entstretchen spezielle elektronische Digitalschaltungen,
die aus dieser Frequenz die Betriebsdichte errechnen.
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Mit einem nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter ergibt sich die
in Fig. 2 dargestellte einfachere Meßanordnung. Der Konverter ) ) sei so programmiert,
daß bei Einspeisung der Frequenz des Se@riebsdichtegebers (41) die Dichte digital
am Ausgang ersceint. Die Baugruppe (42) enthält eine Rückkopplungs- und Impedanzwandlerstufe.
Jedem Signal des Volumenzählers (43) entspricht elne Volumeneinheit Gas, die den
Zähler im -Betriebszustand paslehrt hat. Verwendet man dieses Signal zur Abfrage
des Konverters und addiert die jeweils am Ausgang erscheinenden Zahlen in dem fl
t einer Anzeige versehenen Addierwerk (44), dann ist auf diesem die innerhalb der
Meßzeit durch den Zähler geströmte Gasmasse abesbar. Pro Zeiteinheit wird die Masse
Qm = Q.# registriert; Q ist hierbei das vom Volumenzähler während dieser Zeit gemessene
Betriebsvolumen.
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Zur laulenden Überwachung der Meßanordnung dient der Display (4-5),
der die jeweils zuletzt bestimmte Gasdichte digital anzeigt. Der Display signalisiert
ferner Störungsmeldungen des Konverters.
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2. Massendurchflußmessung mit Blendenmeßstrecke und Betriebsdichtegeber
@eßanordnungen dieser Art sind frei von mechanisch bewegten Teicm und werden bei
großen Leitungsquerschnitten verwendet. Die üblicherweise in solchen Anlagen installierten
Differenzdruck-Transmitter haben einen Gleichstromausgang und machen eine komplexe
elektronische Meßwertverarbeitung erforderlich.
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Fig. 3 zeigt eine solche Meßanordnung bei Verwendung nichtlinearer
Frequenz-Digital-Konverter. An Stelle des Volumenzählers befindet sich die-Meßblende
(50) in der Leitung. Den .Druckabfall Ap
an dieser Blende erfaßt
der Differenzdruck-Transmitter (51), der einen Frequenzausgang hat und über die
Rückkopplungs- und Impedanzwandlerstufe (52) an den nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter
(53) angeschlossen ist. Eine entsprechende Programmierung dieses Konverters liefert
unter Ausschluß eines Bereiches nahe dem Nullpunkt ##p in digitaler Form. Der zweite
nichtlineare Frequenz-Digital-Konverter (54) verarbeitet die Frequenz des Betriebsdichtegebers
(55) zur digitalen Ausgangsgröße W . Die Baukruppe (56) enthält wieder die Rückkopplungs-
und Impedanzwandlerstufe. Bekannten Gesetzmäßigkeiten der Gasmeßtechnik zufolge
ist der Massendurchfluß pro Zeiteinheit
Hierbei sind # und # dimensionslose Konstanten (Durchfluß- und Epansionszahl); d
ist der Meßblendendurchmesser in mm. Das Produkt aus
und #Q wird jeweils nach Ablauf fester Zeiten in der arithmetisch-logischen Einheit
(57) durch digitale Multiplikation gebildet. Die Konverterabfrage und die Produktbildung
löst der Zeitmarkengeber (58) aus, der die Konstanten der Blendenanordnung durch
eine entsprechende Zeitbasis berücksichtigt. Die arithmetisch-logische Einheit führt
die Produkte dem mit einer Anzeige versehenen Addierwerk (59) zu, welches die innerhalb
der Meßzeit durch die Blende geströmte Gasmasse anzeigt.
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Zur laufenden überwachung der Meßanordnung dient der Display (60),
der auch die Signalisierung eventueller Störungsmeldungen der Konverter enthält.
Er ist über den dritten nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter (61) an den Betriebsdichtegeber
angeschlossen und zeigt bei geeigneter Programmierung dieses Konverters die jeweils
zuletzt bestimmte Gasdichte digital an.