DE2430548A1

DE2430548A1 - Effektivwertwandler

Info

Publication number: DE2430548A1
Application number: DE2430548A
Authority: DE
Inventors: Eric Metcalf
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1974-06-26
Publication date: 1975-01-16
Also published as: JPS5039181A; GB1425966A; US3911359A; FR2235370A1

Description

der Firma The Solartron Electronic Group Limited, Victoria Road, Farnborough, Hampshire / England

betreffend: "Effektivwertwandler"

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen für die Messung der Effektivaraplitude eines elektrischen signals, dasheißt, für den Parameter, der definiert ist durch die Beziehung

(t) dt

worin T die Periode ist, über die das elektrische Signal integriert wird und x(t) den Augenblickswert des Signals in Abhängigkeit von der Zeit beschreibt. Ein solcher Parameter, der den Gemsamtenergieinhalt eines Signals beschreibt, kann verwendet werden, um Signale komplexer, zufälliger oder unbekannter Wellenform zu characterisieren..

In'einem einfachen System wird das zu messende Signal einem Widerstandsheizelement zugeführt; und sein Gleichspannungssignal wird einem zweiten Element, das mit dem ersten verbunden ist, zugeführt; der Wert des Gleichspannungssignals wird nachgestellt, bis beide Widerstände die gleiche Temperatur

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besitzen, so daß das Gleichspannungssignal als ein Maß für den Effektivwert des anderen Signals dient. Die Einstellung kann bequemerweise automatisch erfolgen mittels einer Rückkopplungsschleife, die ein Signal von einem Sensor erhält, der anspricht auf eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsheizelementen.

Ein solches System ist langsam im Ansprechen, und in der Praxis ist es äußerst schwierig, die Heizelemente und Thermoelemente über ihren gesamten Betriebstemperaturbereich aneinander anzupassen. Diese Schwierigkeiten werden in einer anderen Anordnung vermieden, bei der das Signal einem Widerstandsheizer eines Doppelheizthermoelements zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung verglichen wird mit einer Bezugsspannung mittels eines Differentialverstärkers. Die Differenzspannung,erzeugt von diesem Verstärker, wird dem anderen Widerstandsheizer des Thermoelements zugeführt, um so dessen Ausgangsspannung gleich der 4ee Bezugsspannung zu halten."Die gleiche Differenzspannung wird ferner einem Widerstand eines weiteren identischen Doppelheizerthermoelements zugeführt, dessen Ausgangsspannung verglichen wird mit der Bezugsspannung mittels eines zweiten Differentialverstärkers. Die Differenzspannung, erzeugt von diesem Verstärker, wird dem anderen Widerstandsheizer des zweiten Thermoelements zugeführt, um so dessen Ausgangsspannung gleich der Bezugsspannung zu halten. Unter diesen Bedingungen ist die Ausgangsspannung des zweiten Differentialverstärkers repräsentativ für den Effektivwert des Eingangssignals.

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Die zweite Ausführungsform vermeidet zwar einige der Schwierigkeiten der ersten, hat jedoch den in der Praxis bedeutsamen Nachteil, daß jedes der beiden Thermoelemente zwei Heizelemente aufweist und die Meßgenauigkeit nicht nur erfordert, daß die vier Heizelemente physikalisch identisch sind, sondern auch, daß die thermische Kopplung zwischen den Heizelementen und ihren jeweiligen Stoßstellen exakt gleich ist. Die praktischen Schwierigkeiten der Herstellung von Schaltelementen, die diesen Bedigungen geniigen, erhöhen die Kosten einer solchen Anordnung erheblich, und die Genauigkeit der bekannten Wandler, die mit dieser Technik arbeiten, ist im allgemeinen nicht besser als 1 %. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anordnung hinsichtlich dieser Nachteile zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, diefeine als Beispiel gedachte Ausführungsform einer Anordnung gemäß der Erfindung darstellen.

Fig. 1 zeigt dabei schematisch einen Wandler gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 stellt eine Zwillingsthermoelementbaugruppe für die Verwendung gemäß der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt erste und zweite im wesentlichen idetntische Heizelemente 2 bzw. 4, die in innigem thermischen Kontakt mit zugeordneten ersten und zweiten Thermoelementen 6 bzw. 8 stehen,

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Das Heizelement 2 ist angeschlossen für das Anlegen eines Eingangssignals 5 über ein abgestimmtes Parallelfilter 3.

Die Thermoelemente 6 und 8 sind einander entgegengeschaltet, um so ein Signal zu erzeugen, das repräsentativ ist für die Temperaturdifferenz zwischen den zugeordneten Heizelementen 2 und 4; dieses Signal wird angelegt an den Eingang 10 des Verstärkers 12.

Der Ausgang 14 des Verstärkers 12 ist verbunden mit dem Eingang 16 eines Funktionsgenerators 18, der ein funktionserzeugendes Netzwerk 20 aufweist zwischen dem Ausgang 22 und dem Eingang 16 eines Verstärkers 17, derart, daß das am Ausgangs 22 erscheinende Signal proportional der Quadratwurzel des Signals ist, das an dem Eingang 16 anliegt. Der Ausgang 22 ist über ein parallel abgestimmtes Filter 2 4 an das zweite Heizelement 4 angeschlossen, und das Signal V am Ausgangs 22 dient ferner als Ausgang von dem Wandler, welches Signal repräsentativ sein soll für den Effektivwert des Eingangssigna-ls 5.

Die Verstärker 12 und 17 sind in eine Rückkopplungsschleife geschaltet, derart, daß Leistung auf das Heizelement 4 übertragen wird, falls ein Signal am Eingang 10 angibt, daß die Temperatur des Elementes 4 niedriger ist als die des Elementes 2, um so die Temperaturdifferenz zu verringern.

Die Heizelemente 2 und 4 weisen ferner einen Anschluß über das zugeordnete Kapazitäten 30 bzw. 32 auf für die Einspeisung von Leistung von einem Modulator 34, der mit einer Frequenz oberhalb der höchsten Komponente des Eingangssignals arbeitet.

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Der Modulator 34, bei dem es sich um eine bekannte
Gegentaktausführung handelt, ist mittels einer niederimpedanten Wicklung 36 mit dem gemeinsamen Punkt 38 der
Kondensatoren 30 und 32 verbunden.

Der Modulator 34 erhält Leistung am Punkt 35 von dem
Emitter 40 eines Emitterfolgers 42; der Punkt 35 ist gegen Masse entkoppelt mittels des Kondensators 44. Die Basis 46 des Emitterfolgers 42 ist über einen Widerstand 48 mit dem Ausgang 50 eines Verstärkers 52 verbunden, dessen Eingang
mit 54 bezeichnet ist.

Der Eingang·54 ist mit dem Emitter 40 über einen kondensator 56 verbunden, ferner über einen Widerstand 60 mit einer ersten Bezugspotentialquelle 58 mit Potential V_nI und mit der Verbindungsstelle einer Diode 62 und eines Kondensators 64 über einen Widerstand 66. Der andere Bekg des
Kondensators 64 liegt an Masse, und die andere Elektrode
der Diode 62 ist über einen Kondensator 68 mit dem geraeinsamen Punkt 38 verbunden.

Die Verbindungsstelle des Kondensators 68 und der Diode 62 ist über einen Widerstand 70 mit dem gemeinsamen Punkt verbunden, der an Masse liegt über einen Widerstand 74 und einen dazu parallelliegenden Kondensator 76, während der gemeinsame Punkt 72 ferner an einer zweiten Bezugspotentialquelle 78 mit dem Potential V„2 liegt, und zwar über einen Widerstand 80. Schließlich ist der Punkt 72 mit dem Ausgang 82 eines Verstärkers 84 über eine Diode 86 verbunden. Ferner ist der Ausgang 82 mit Masse verbunden über Serienwiderstände 88 und 90, deren gemeinsamer Punkt über das Funktionsgeneratornetzwerk 92 mit dem Eingang 94 des Verstärkers 84 verbunden ist. Die Characteristik des Funktionsgeneratornetzwerks 92 ist so gewählt, daß das Signal am Ausgang 82 proportional der Quadratwurzel des Signals am Eingang 94 ist.

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Der Eingang 84 ist über einen Widerstand 96 mit einer dritten Bezugspotentialquelle 97 mit Potential V_O3 verbunden, sowie über einen Widerstand 98 mit dem Ausgang 14 des Verstärkers 12. Man erkennt, daß der Modulator 34 als Leistungsquelle dient, die über die Wicklung 36 und die Kondensatoren 30 und 32 an die Heizelemente 2 und 4 angekoppelt ist, und daß der Leistungspegel, geliefert vom Modulator 34, abhängt von den Signalen, die geliefert wer-, den von den Bezugspotentialquellen V_,l, V„2 und V_O3, sowie

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von dem Signal, das am Ausgang 14 in dem Rückkopplungskreis liegt, der an den Eingang 94 über den Widerstand 98 geführt ist.

Die Diode 62 dient zum Gleichrichten eines Teils des Ausgangsmodulators 34, der ebenfalls rückgekoppelt ist, um den Betriebspegel des Modulators 34 bei NichtVorhandensein eines Rückkopplungssignals am Ausgang 14 zu stabilisieren.

Die Zwillingsheizerthermoelementbaugruppe kann vorteilhafterweise gemäß Fig. 2 aufgebaut sein. Das Thermoelement 6 besitzt einen Satz von heißen Stoßstellen 202 und einen Satz von kalten Stoßstellen 2Ο4. Die heißen Stoßstellen sind in thermischem Kontakt mit dem Heizelement 2, während die kalten Stoßstellen in thermischem Kontakt mit einem Pfosten 206 stehen, der einen Teil eines Kühlkörpers bildet. Das zweite Thermoelement 8 besitzt einen Satz von heießen Stoßstellen 208 und einen Satz von kalten Stoßstellen 210, identisch mit jenen des ersten Thermoelements. Die heießen Stoßstellen 208 sind in Kontakt mit dem Heizelement 4, während die kalten Stoßstellen 210 in Kontakt mit dem Pfosten 206 stehen.

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Diese Baugruppe befindet sich in einem Gehäuse 212, das eine isothermische Kammer bildet; auf diese Weise ist es möglich, zwei Multistoßstellenthermoelemente zu erhalten ,die im Betrieb im wesentlichen identisch sind, und zwar nicht nur physisch identisch sind, sondern auch auf der gleichen Umgebungstemperatur liegen.

Wenn im Betrieb zunächst Leistung dem Wandler zugeführt wird, und wenn kein Eingangssignal, das zu messen ist, vorliegt, liefert der Modulator 34 Leistung gleichermapen zu den Elementen 2 und 4. Das Leistungspegel wird bestimmt durch die Bezugspotentiale V„l (58), V„2 (78) und V 3 (9 7), und die Betriebstemeperatur, die von den Heizelementen 2 und 4 erreicht wird, und damit von den zugeordneten Thermoelemente 6 und 8, die in thermischem Kontakt stehen, wird bestimmt durch diesen'Leistungspegel.

Das Aufgeben eines Eingangssignals 5 über Filter 3 zum Heizelement 2 hat die Wirkung, daß das Element aufgeheizt wird und damit die Ausgänge der zugeordneten Thermoelemente 6-und 8 ins Ungleichgewicht kommen; das resultierende Signal am Eingang 10 des Verstärkers 12 führt dazu, daß Leistung vom Ausgang 22 des Funktionsgenerators 18 dem Element 4 zugeführt wird, um das Temperaturgleichgewicht zwischen den zugeordneten Elementen 2 und 4 wiederherzustellen.

Wenn die vom Modulator 34 an die Heizelemente 2 und gelieferte Leistung konstant bleibt, so würde die Temperatur beider Heizelemente um einen Betrag ansteigen, der erforderlich wäre, um die zusätzliche Leistung abzuführen, die jeweils zugeführt wird von dem Eingangssignal und dem Rückkopplungssignal.

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Demgemäß ist hier die Auslegung so getroffen, daß die Elemente 2 und 4 mit im wesentlichen konstanter Temperatur betrieben werden, in denen jedes von ihnen mit Sonderleistung beaufschlagt wird, unabhängig von der Höhe des Eingangssignals. Auf diese Weise arbeiten die Thermoelemente 6 und 8, die in thermischem Kontakt mit den jeweils zugeordneten Heizelementen 2 und 4 stehen, nahe einem festen Punkt auf ihren Characteristiken, womit die Notwendigkeit entfällt, genau über einen ausgedehnten Bereich folgen zu müssen.

Der Betrieb mit konstanter Temperatur hat ferner den Vorteil, die Einstellzeit des Instruments zu verbessern, indem in die Rückkopplungsschleife die Wirkungen der thermischen Trägheit und der thermischen Widerstände zwischen den jeweiligen Heizelementen und den Thermoelementen miteingebracht werden.

Der Betrieb mit konstanter Leistung wird erreicht gemäß der Erfindung durch Herabsetzen der Leistung, die an die Elemente 2 und 4 vom Modulator 34 geliefert wird, um im wesentlichen denselben Betrag a der Leistung, die zugeführt wird

von den Eingangssignal bzw. den Rückkopplungssignalen. Das

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Rückkopplungssignal Vo an Ausgang 14 des Verstärkers 12 wird angelegt mit dem Referenzsignal V_n 3 (9 7) an den Eingang des

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Verstärkers 84. Nichtlineare Rückkopplung über das Funktionsntzwerk 92 ergibt einen Ausgang proportional zu

(K - Vo²)

am Ausgang 82, worin K die Leistung angibt, die vom Modulator 34 jedem Heizelement bei NichtVorhandensein eines Eingangssignals zugeführt wird. Daraus folgt, daß die jedem Heizelement

2 zugeführte Leistung proportional sein wird zu (K-VO ). Da die Leistung, die jedem Heizelement 2 und 4 vom Eingangssignal bzw.

2 Rückkopplungssignal zugeführt wird, proportional zu Vo ist,

bleibt die Gesamtleistung, die jedem Element zugeführt wird, im wesentlichen konstant.

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Man erkennt, daß, da jedes Heizelement Leistung von zwei getrennten Leistungsquellen erhalten soll, das heißt vom Modulator oder vom Eingangssignal oder vom Rückkopplungssignal, es erforderlich ist, daß eines der beiden Signale, das von jedem Heizelement empfangen wird, Wechselleistung sein sollte. Falls Gleichspannungssignale addiert wurden, würde die Summe der beiden Spannungen eine größere Leistungsabfuhr erzeugen als die Summe der Leistungsabfuhren, erzeugt von jeder Spannung individuell, während eine Gleichspannung und eine Wechselspannung oder zwei Wechselspannungen, die dem gleichen Heizelement zugeführt werden, eine Leistung erzeugen gleich der Summe der unabhängig angelegten Spannungen.

In dem Ausführungsbeispiel wird ein Gleichspannungssignal in der Rückkopplungsschleife verwendet und dient als ein Ausgangssignal, was es erlaubt, den Frequenzbereich des Instruments bezüglich Messungen auf einem Eingangssignal bis herunter zur Gleichspannung abzusenken. Dies erfordert, daß die Leistung, die von der Leistungsquelle dem Modulator geliefert wird, Wechselspannung sein muß.

Man erkennt, daß die Erfindung zu verschiedenen, unterschiedlichen Ausführungsformen führen kann.

Beispielsweise könnⁿdie Mittel für das Abtauen der Temperatur der und der Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Heizelementen bequemerweise passive Komponenten sein, wie Dioden oder Thermistoren, wie auch aktive Komponenten, wie die Thermoelemente in der Ausführungsform nach Fig. 1.

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In ähnlicher Weise kann unter der Voraussetzung, daß das Signal in dem Rückkopplungskreis und das Eingangssignal selbst beide Wechselsignale sind, die den Heizelementen 2 und 4 von der gemeinsamen Leistungsquelle zugeführte Leistung, welche eingestellt wird in Abhängigkeit vom Pegel der Eingangsund Rückkopplungssijngale gleich Leistung sein. Alternativ können auch alle von den Heizelementen empfangenen Signale WechselSignale sein.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.' Effektxvwertraeßanordnung für die Messung, des Effektivwertes eines Eingangssignals mit ersten und zweiten im wesentlichen identischen Heizelementen mit Schalteinrichtungen für das Anlegen an das erste Heizelement eines Signals, das repräsentativ für das Eingangssignal ist, mit Schalteinrichtungen für das Erfassen einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Heizelement und für die Erzeugung eines für diese Differenz repräsentativen Signals mit einem Rückkopplungsschaltkreis, der ansprechend ist auf das für die Temperaturdifferenz repräsentative Signal zur Erzeugung einer Leistung für das zweite Heizelement, so, daß die Temperaturdifferenz reduziert wird, wobei ein Signal von dem Rückkopplungschaltkreis, das repräsentativ ist für die Amplitude des an das zweite Heizelement angelegten Signals für die Herabsetzung der Temperaturdifferenz als Ausgang dient, der repräsentativ ist für den Effektivwert des Eingangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Bezugssignalquelle (97) umfaßt, eine Leistungsquelle (34) , die ansprechend ausgebildet ist für das Bezugssignal und für ein Signal aus dem Rückkopplungsschaltkreis (12, 17) für die Zufuhr zu dem ersten (2) und zweiten (4) Heizelement, jeweils der gleichen Leistung, deren Pegel eingeteilt ist im Ansprechen auf das Signal vom Rückkopplungsschaltkreis (17), derart, daß die Gesamtleistung, die dem zweiten Heielement (4) vom Rückkopplungsschaltkreis (12, 17) und von der Leistungsquelle (34) im wesentlichen konstant gehalten ist.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, daurch gekennzeichnet,

daß die Schalteinrichtungen für die Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen den ersten (2) und zweiten (4) Heizelementen ein erstes (6) und ein zweites (8) mit dem ersten im wesentlichen identisches Thermoelement in thermischem Kontakt mit jeweils dem ersten (2) bzw. zweiten (4) Heizelement umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsschaltkreis (12_f 17) einen Funktionsgeneratorschaltkreis (17, 20) umfaßt, dem ein Signal, das repräsentativ für die Temperaturdifferenz ist, zugeführt wird, und der ein Ausgangssignal, proportional zu der Quadratwurzel desselben erzeugt.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizersignal, erzeugt von der Leistungsquelle (34), für das erste (2) und zweite (4) Heizelement Wechselstrom ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle einen Modulator (34) umfaßt, dem mindestens ein Gleichspannungssignal zugeführt wird, und der ein Ausgangssignal erzeugt, das ein für dieses Gleichspannungssignal repräsentativer Wechselstrom ist.

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