DE2616429C3

DE2616429C3 - Elektrisches Spannungsmeßgerät zur digitalen und analogen Anzeige einer elektrischen Eingangsspannung

Info

Publication number: DE2616429C3
Application number: DE2616429A
Authority: DE
Inventors: Soichiro Tokio/Tokyo Yasunaga
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-04-14
Publication date: 1985-12-05
Also published as: JPS5285464U; US4081745A; DE2616429B2; DE2616429A1; JPS5937733Y2

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Spannungsmeßgerät zur digitalen und analogen Anzeige einer so elektrischen Eingangsspannung, bei dem die unbekannte Eingangsspannung über einen Impulszähler in eine Digitalanzeige übergeführt wird und über ein anfänglich gegenüber der Bezugsspannung einer angelegten Bezugsspannungsquelle ausgeglichenes Potentiometer, welches einen verstellbaren Abgriff aufweist, kompensiert wird, die Position des Abgriffes eingeregelt wird, bis das Potentiometer in einen ausgeglichenen Zustand gelangt ist und dadurch eine analoge Anzeige der unbekannten Spannung erfolgt. <,o

Aus der DE-PS 9 20 571 ist ein Spannungsmeßgerät der eingangs genannten Art nahegelegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spannungsmeßgerät dieser Art so auszugestalten, daß die Anzeige analog und digital gleichzeitig und präzis in Koinzidenz erfolgt t>5 und stabile Arbeitsweise gesichert ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts und rückwärts betreibbarer, mit einer vom Potentiometer abgegriffenen Spannung ansteuerbarer Servomotor als Antrieb für den Abgriff und einen Anzeiger für die analoge Anzeige vorgesehen ist, daß ein Absolutspannungsmesser an einen Abgriff des Potentiometers angeschlossen ist, der bei mangelndem Potentiometerabgleich ein Abgleichsignal abgibt, das an den einen Eingangsanschluß eines Differenzmessers gelangt, der bei Differenz der Eingangssignale an semen beiden EüigangsanschUssen eine zwischen einen Digitalzähler und einen diesen treibenden Taktgeber geschaltete Torschaltung aufschaltet und mit seinem zweiten Eingangsanschluß ausgangsseitig an einen dem Digitalzähler nachgeschalteten Digitalanalogwandler angeschlossen ist, und daß ein Vorzeichentaster vorgesehen ist dessen erster Eingangsanschluß ausgangsseitig von dem Digitalanalogwandler angesteuert wird und ein binäres Ausgangssignal liefert, abhängig davon, welches seiner Eingangssignal das größere ist und eine dem Digitalzähler und dem Taktgeber zwischengeschaltete Inverterschaltung vorzeichengerecht umtastet auf Zählung aufwärts beziehungsweise abwärts.

Nach der Erfindung erfolgt die Analoganzeige in unmittelbarer Abhängigkeit von der Einstellung des betreffenden Abgriffs, wie das aus dem zitierten Stand der Technik als nahegelegt unterstellt wird.

Von dieser Einstellung ist die Digitalanzeige präzis abhängig, so daß zunächst einmal sichergestellt ist, daß die Digitalanzeige und die Analoganzeige den gleichen Wert anzeigen. Durch den vorgesehenen, stets gleich laufenden Servomotor ist die Nachstellzeit ein Maß für die Kompensationsgröße, mithin also auch bestimmend für die Anzahl der Zählimpulse, die benötigt wird, um die vorhandene Digitalzählung in die neue Zählung weiterzuführen. Diese Ansteuerung des Digitalzählers ist stabil beziehungsweise ruhig, wie es der zugrundeliegenden Aufgabenstellung entspricht Das wird aber mit einer gewissen Ungenauigkeit erkauft, die jedoch durch die vorgesehene Rückkoppelung über den Digitalanalogwandler, der den Differenzmesser ansteuert, unterdrückt wird, so daß die Anzeige nicht nur ruhig, sondern auch präzise erfolgt

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, in der im Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines digital und analog anzeigenden Spannungsmeßgerätes dargestellt ist, näher erläutert

Auf die Zeichnung Bezug nehmend, wird eine unbekannte Spannung Ex, die gemessen werden soll, über die Eingangsklemmen IP eines automatischen, servobetätigten Potentiometers durch ein Filter F hindurch, um allgemeine Störgeräusche oder Fremdgeräusche zu entfernen, angelegt Die gefilterte Eingangsspannung wird auf der einen Seite über einen niederohmigen Widerstand RL und auf der anderen Seite über einen Zerhacker (Chopper) C nach dem primären eines Eingangstransformators M hin angelegt wobei der Zerhacker C durch eine konventionelle Wechselstromlieferquelle getrieben wird. Die sekundäre Seite des Transformators M ist mit einem Servoverstärker SA verbunden, dessen Ausgang an die Motorwicklung MW des Servomotors SM angelegt wird. Die Feldwicklung FW des Servomotors ist über die Anschlußklemmen T mit einer konventionellen Wechselstromquelle verbunden.

Die Potentiometer-Schaltung enthält eine Bezugsspannungsquelle £ welche mit dem Widerstand PO und PX parallel geschaltet ist Die Seite der Eingangsspannung, welche an den Widerstand RL angelegt wird, wird

auch an einen Schieber BO angelegt, der zu Eichungszwecken manuell einstellbar sein kann, während des Betriebes jedoch fixiert ist Der Servomotor SM ist mit dem Schieber BX mechanisch verbunden, u/n so den Schieber BX am Widerstand PX entlang soweit notwendig zu verschieben, um das Potentiometer wieder in eine ausgeglichene oder Null-Kondition zu bringen. Ein bewegbarer Anzeiger Q mit einer zugehörigen Fixierten Skala 5 ist mit dem Servomotor SM ebenfalls mechanisch verbunden, und die endgültige Position des Anzeigen Q relativ zu der Skala ergibt eine analoge Anzeige (Al) der unbekannten Eingangsspannung.

Der bewegbare Schieber BX ist über einen hochohmigen Widerstand RH mit der Seite des niedrigohmigen Widerstandes RL verbunden, weg von den· Eingang, so daß die Potentiometer-Schieber über die Widerstände RL und RH verbunden sind. Falls die Werte der Widerstände AL und /{//entsprechend durch Ri und Rh repräsentiert werden und die Spannung, welche zwischen dem fixierten oder Bezugsschieber BO und dem verstellbaren Schieber BX besteht, durch E₉ dargestellt wird, wird eine Kompensationsspannung E_b durch das Potentiometer über den Widerstand AL einer Größe angelegt, die durch die Gleichung gegeben ist:

_ Ri χ Ε,
Ri + Rk

Der Eingangstransformator M des Servoverstärkeii dafür empfangt eine Spannung, welche der Summe der Kompensation-b-Spannung Eb plus der unbekannten Eingangsspannung E_x proportional ist Der Servomotor dreht sich dann in der entsprechenden Richtung gemäß dem Vorzeichen dieser zusammengesetzten Spannung, um den beweglichen Schieber BX in einer Richtung zu verschieben, um ein Äquilibrium oder den ausgeglichenen Zustand wiederherzustellen.

Wenn das Potentiometer Äquilibrium erreicht hat,

E₁ + E_h = 0

E> = -E_x.

(Ha)

(lib)

Für E_b aus der obigen Gleichung I wird eingesetzt

und für E, aufgelöst

ψ ■=

+ R_k)

/iiiK»
^E* l'^Ilb)

Falls die Größe des Widerstandes R//als ausreichend größer als diejenige des Widerstandes RL ausgewählt wird, wird ein Näherungswert für E_p durch die folgende Gleichung gegeben

(IV)

Falls die Größe des Widerstandes RH beispielsweise lOOOmal diejenige des Widerstandes RL beträgt, wird somit die Wirkung, eine Spannung von verschiedenen Volt an den Schieber BX anzulegen, durch eine unbekannte Eingangsspannung in der Größenordnung von einigen Millivolt erreicht

Die Potentialdifferenz, welche über die Schieber BO und BX besteht wird in Form eines absoluten Wertes, das heißt unabhängig von der Polarität eines solchen

ίο Potentials, durch eine die absolute Spannung ermittelnde Schaltung AL gemessen und erscheint ais positive Spannung an dem Ausgang der Schaltung AL Irgendeine Änderung bei diesem absoluten Spannungsausgang wird dazu benutzt um über eine ausgleichermittelnde Schaltung CB das Zählen von Impulsen durch einen Satz von Binärzählern Ni, N2, N3, etc zu triggern. Die Impulse werden durch einen Taktimpulsgenerator PO erzeugt dessen Ausgang an ein Steuer-UND-Gatter Gd angelegt wird, dessen Ausgang an den Eingang des Binärzählers angelegt wird, und zwar über eine Polaritätssteuerschaltung, welche später beschrieben wird. Ausgangssignale von den Binärzählem NI—N3 werden durch einen Binär-Dezimal-Umsetzer Din einen Digitalwert verwandelt der nach einer Digitalanzeigevorrichtung DI hin geliefert wird. Ausgangssignale "on den Binärzählern Ni-Ni her werden auch in eine entsprechende analoge Spannung (E,) durch einen Digital-in-Analog-Umseter L umgewandelt und die somit erzeugte analoge Spannung E, wird nach der ausgleichermittelnden Schaltung CB hin eingespeist

Solange sich der absolute Spannungswert (Absolutspannungswert) mit der analogen Spannung E, im Äquilibrium befindet speist die ausgleichermittelnde Schaltung ein Signal »0« nach dem UND-Gatter Gn ein, während, wenn diese Spannungen ungleich sind, die ausgleichermittelnde Schaltung das Signal »1« nach dem UND-Gatter Gb hin liefert Somit übermittelt das UND-Gatter G> Impulse nur, wenn die ausgleichermit-

telnde Schaltung CB eine Änderung zwischen dem absoluten Ausgangswert der Schaltung AL und der erzeugten analogen Spannung E, ermittelt und läßt zu, daß eine solche Zählung fortdauert bis ein ausgeglichener Zustand zwischen diesen Spannungen wiederhergestellt ist Daher zählen die Binärzähler für eine Zeitspanne, welche der Zeit entspricht, die benötigt wird, um das Potentiometer in einen ausgeglichenen Zustand durch Verschiebung des verstellbaren Schiebers BX zurückzubringen, welcher durch den Servomo-

so tor SAf mit einer konstanten Rate getrieben wird. Die Anzahl der Impulse, die während dieser Zeit gezählt wird, ergibt daher eine Anzeige der Größe der unbekannten Eingangsspannung, welche in digitaler Form zur gleichen Zeit angezeigt wird, zu der eine analoge Anzeige durch den Zeiger Q an der Skale S gegeben wird.

Die erzeugte analoge Spannung E. bildet <n Wirklichkeit ein Feedback von den Binärzählern her, welches verwende' wird, um die impulszählende Schaltung zu

bo steuern und somit große Genauigkeit bei der gemessenen Zählung durch eine solche Schaltung sicherzustellen.

Da üie unbekannte Eingangsspannung E₁ positiv oder negativ sein kann, wird vorzugsweise fCr das Messen von Spannungen der einen oder der anderen Polarität Vorkehrung getroffen. Zu diesem Zweck wird der Fluß von impulsen, welche das UND-Gatter Gb passieren, durch eine Polariiätskontrollschaltung, die zwischen

dem Gatter C₀ und den Binärzählern /VI— 3 angeordnet ist, selektiv kontrolliert. Diese Schaltung besteht aus zwei UND-Gattern G\ und Gj, welche auf der einen Seite mit dem Ausgang des Steuer-UND-Gatters Ck parallel geschaltet sind und auf der anderen Seite mit s den entgegengesetzten Seiten eines Wechselrichters H, der mit dem Ausgang eines !Comparators CPverbunden ist. Der Komparator CP empfängt als Eingänge die absolute gemessene Spannung von der die absolute Spannung ermittelnden Schaltung AL her und die to erzeugte analoge Spannung E, von dem Digital-Analog-Umsetzer L her. Wenn die absolute gemessene Spannung die regenerierte analoge Spannung überschreitet, gibt der Komparator CP einen Ausgangsimpuls »1«, während, wenn die analoge Spannung die is gemessene Spannung überschreitet, der Komparator-Ausgang »0« ist Wenn die Komparator-Ausgangsspannung »1« ist, wird sie an den Eingang des Gatters Ci angelegt, und wenn ein Impuls »1« durch das Steuer-Gatter Gb übertragen wird, als ein Signal »1«, gibt das Gatter Gi einen Ausgangsimpuls, welcher an den Plus-Eingang der Binärzähler-Anordnung angelegt wird, um die Zählung zu erhöhen. Der »1« Ausgang wird durch den Wechselrichter H gewendet und wird folglich als »0« nach dem anderen Gatter G₂ hin übertragen, so daß, wenn das Gatter G₂ einen »1« Impuls von dem Impulsgenerator her empfängt, es geschlossen bleibt und der negative Eingang der Zähler unbeeinflußt ist

Andererseits wird, wenn der Komparator einen »0« Ausgang gibt, dieser Ausgang durch das Verknüpfungsglied bzw. Gatter Gi empfangen, das, wenn der Taktimpuls »1« auch empfangen wird, geschlossen bleibt Der »0« Ausgang-Impuls wird durch den Wechselrichter H gewendet und wird daher an das andere Gatter G₂ als ein »1« Signal angelegt, welches, wenn es mit einem »1« Impuls von dem Impulsgenerator her verknüpft wird, dadurch die Übertragung eines Impulses zur Folge hat, der an die negative Seite der Binärzahler-Anordnung angelegt wird. Es ist daher zu erkennen, daß, wenn der absolute Meßwert den erzeugten Analogwert überschreitet, die Impulse die Binärzählung erhöhen, während, wenn der absolute Meßwert kleiner als der erzeugte Analogwert ist, die Impulse von dem Binärzähler her subtrahiert werden, mit entsprechenden Änderungen bei der Digitalanzeigevorrichtung.

Die Potentiometer-Schieber BO und BXwerden auch an eine polaritätsidentifizierende Schaltung P angeschlossen, die nachprüft, ob die Eingangsspannung nach dem Potentiometer hin positiv oder negativ ist, und eine entsprechende Anzeige nach der Anschlußklemme SB hin liefert

Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, könnte die Anschlußklemme 50 an die Digitalanzeigevorrichtung angeschlossen werden, um eine positive oder negative Anzeigevorrichtungsanzeige unter passenden Umständen zu betätigen, oder falls operationale Anwendung der digitalen Zählung in Frage kommt, benutzt werden, wie es in diesem Zusammenhang erforderlich sein mag.

Die unbekannte Eingangsspannung kann offensichtlich von jedem Abtastungselement her abgeleitet werden, welches geeignet ist, eine Spannungsänderung als eine Funktion einer gemessenen Variablen zu ergeben. Solche Elemente können einschließen: Thermoelemente, pH-Verstärker, Gasanalvsatoren, Strahlungsmeßinstrumente, photoelektrische Zellen, Smoke-Dichte-Zellen, Konverter und dergleichen. Demgemäß kann die digitale Anzeige für operationale Zwecke benutzt werden, wobei sie z.B. bei einem Kontroll-Computer verwendet wird, oder sie kann bei einem Printer für die Recordation verwendet werden. Ähnlich kann ein Schreibstift an den Servomotor SAi angeschlossen werden, zur automatischen Aufzeichnung der analogen Anzeige.

Die Anordnung von Differentialwiderständen RH, RL dient praktisch dazu, kleine unbekannte Eingangsspannungen zum Zwecke der digitalen Messung zu verstärken, so daß für diesen Zweck kein Operationsverstärker benötigt wird und somit eine hohe Stabilität möglich ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektrisches SpannungsmeBgerät zur digitalen und analogen Anzeige einer elektrischen Eingangs· spannung, bei dem die unbekannte Eingangsspannung über einen Impulszähler in eine Digitalanzeige übergeführt wird und Ober ein anfänglich gegenüber der Bezugsspannung einer angelegten Bezugsspannungsquelle ausgeglichenes Potentiometer, welches einen verstellbaren Abgriff aufweist, kompensiert wird, die Position des Abgriffes eingeregelt wird, bis das Potentiometer in einen ausgeglichenen Zustand gelangt ist und dadurch eine analoge Anzeige der unbekannten Spannung erfolgt, dadurch ge- is kennzeichnet, daß ein mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts und rückwärts betreibbarer, mit einer vom Potentiometer (PX) abgegriffenen Spannung ansteuerbarer Servomotor (SM) als Antrieb für den Abgriff (BX)und einen Anzeiger (Q) für die analoge Anzeige vorgesehen ist, daß ein Absolutspannungsmesscr (AL) an einen Abgriff des Potentiometers (PX) angeschlossen ist, der bei mangelndem Potentiometerabgleich ein Abgleichsignal abgibt, das an den einen Eingangsanschluß eines Differenzmessers (CB) gelangt, der bei Differenz der Eingangssignale an seinen beiden Eingangsanschlüssen eine zwischen einen Digitalzähler (N) und einen diesen treibenden Taktgeber (PO) geschaltete Torschaltung (GO) aufschaltet und mit seinem zweiten Eingangsanschluß ausgangsseitig an einen dem Digitalzähler (N) nachgeschalteten Digitalanalogwandler fZJ angeschlossen ist, und daß ein Vorzeichentaster (CP) vorgesehen ist, dessen erster Eingangsanschluß ausgangsseitig von dem Absolutspannungsmesser (AL) angesteuert wird und dessen anderer Eingangsanschluß ausgangsseitig von dem Digitalanalogwandler fLJ angesteuert wird und ein binäres Ausgangssignal liefert, abhängig davon, welches seiner Eingangssignale das größere ist und eine dem Digitalzähler (N) und dem Taktgeber (PO) zwischengeschaltete Inverterschaltung vorzeichengerecht umtastet auf Zählung aufwärts beziehungsweise abwärts.

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