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Vorrichtung zum Messen und Regeln von Drücken
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bzw. Differenzdrücken.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen und Regeln
von Drücken bzw. Differenzdrücken in strömungsfähigen Medien unter Verwendung eines
Meßwandlers, der eine d m Druck proportionale Schwingungsfrequenz erzeugt und einen
in der Meßvorrichtung enthaltenen Impulszähler ansteuert.
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Meßwandler der genannten Art sind beispielsweise aus den deutschen
Patentschriften 11 66 506 und 19 43 925 bekannt.
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Es ist bekannt, die druckabhängige Amplitude eines Meßwandlers von
der Analogform in Digitalform umzuwandeln und mittels Impulszählung ein Meßergebnis
zu erzielen. Der hierfür erforderliche Digitalanalogwandler ergibt jedoch einen
beträchtlichen Aufwand. Außerdem ist die Meßgenauigkeit
durch die
Auflösung des Meßwandlers begrenzt, dessen Schwingungsfrequenz bei einigen kHz liegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und dabei
doch genauere Messung von Drücken bzw. Differenzdrücken mittels eines Meßwandlers
der oben genannten Art zu schaffen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll
das Meßergebnis zur Regelung des Druckes in einem Gefäß benutzt werden, dessen Innendruck
ständig von dem Meßwandler abgetastet wird.
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Zur Lösung der genannten Aufgabenstellung sieht die Erf.indung vor,
daß der Meßwandler an einen Schmidt-Trigger gekoppelt ist, dem ein Zähler nachgeschaltet
ist, daß ein stabilisierte Oszillator mit einer wesentlich höheren Frequenz als
die des Meßwandlers einen zweiten Zähler speist, der durch ein Uberlauf-Signal des
ersten Zählers getriggert wird, welches die Übernahme des Zählerstandes des zweiten
Zählers in eine Auswerteschaltung steuert.
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Wenn man die Frequenz des Oszillators entsprechend hoch wählt, so
ergibt sich eine sehr hohe Genauigkeit der Messungen.
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Zur Verwendung dieser Meßvorrichtung in einem Regelgerät ist es erforderlich,
eine Einrichtung zur Einstellung eines Sollwertes vorzunehmen. Es wird daher in
Ausgestaltung der Erfindung
dem zweiten Zähler ein Inverter nachgeschaltet,
der eine Anzeigenvorrichtung speist. Diesem Invertef wird ein Vergleicher nachgeschaltet,
dem nun der eingestellte Sollwert zugeführt wird. Ein dem Vergleicher nachgeschaltetes
Ausgaberegister liefert die Werte, die an eine Schaltungsanordnung zur Druckregelung
weitergegeben werden. Zur Vereinfachung dieser Schaltungsanordnung sind Mittel vorgesehen,
die es gestatten, dieser nur die Inhalte der unteren Zählerstellen zuzuführen und
die Inhalte der oberen Zählerstellen zu unterdrücken. Die erreichbare Genauigkeit
wird hierdurch erhöht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die eigentliche Meßschaltung
mit einem Mikroprocessor verbunden, der die weitere Verarbeitung der ermittelten
Daten möglich macht.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert und zwar zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Meß- und Regelungsvorrichtung und Fig. 2 in Form eines Blockschaltbildes eine Einzelheit
der Meßschaltung nach Fig. 1.
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In einem Druckgefäß 1, dessen Innendruck ständig gemessen und auf
einen bestimmten, eingestellten Wert geregelt werden soll, ist ein Meßwandler 2
angeordnet. Dieser Meßwandler ist
von der Bauart, die eine dem Druck
proportionale Schwingungsfrequenz liefert. Es sind mehrere Meßwandler dieser Art
auf dem Markt.
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Der Meßwandler wird in an sich bekannter Weise von einem Oszillator
mit einer angepaßten Frequenz gespeist. Der Ausgang des Meßwandlers wird nun der
eigentlichen Meß- und Auswertschaltung zugeführt.
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Die Meßschaltung 3 ist in ihren Einzelheiten in Fig. 2 dargei stellt
und ihre Funktionsweise im folgenden näher erläutert.
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Ein Oszillator 4 liefert eine Hochfrequenz an die Meßschaltung 3
sowie Taktsignale an die übrigen Blöcke der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Der Ausgang des Meßwandlers 2 führt eine Frequenz, die bei den bekannten
Typen zwischen rund 5 und 7 kHz liegt. Die Ausgangsfrequenz wird zunächst einem
Schmidt-Trigger 20 zugeführt, der mit einer definierten Hysteresegröße zur Unterdrückung
von Ubertragungs-Störspannungen arbeitet. In diesem Trigger werden zugleich die
ankommenden Signale zu weiterverarbeitenden Impulsen geformt. Diese werden einem
Zähler 2 zugeführt. Dieser Zähler ist beispielsweise ein achtstellige
Binärzähler
oder ein BCD-Zahler mit drei Stellen. Dieser Zähler 21 liefert nach dem Abzählen
von 256 Perioden einen Uberlaufimpuls auf die Leitung 22.
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Der Oszillator 4, ist für eine Ausgangsfrequenz von 10 MHz ausgelegt.
Dieser Oszillator liefert diese Impulsfrequenz an einen zweiten Zähler 23, der ebenfalls
als Binärzähler ausgebildet sein kann unddem dann ein Binär-zu-BCD-Wandler 24 nachgeschaltet
ist. Vorzugeweise ist jedoch der Zähler 23 als BCD-Zähler mit sechs Stellen ausgebildet.
Der Zähler 23 erhält demnach laufend Zählimpulse von dem Oszillator 4 mit dessen
Arbeitsfrequenz.
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Sobald das Uberlaufsignal des Zählers 21 auf der Leitung 22 auftritt,
wird der Inhalt des Zählers 23 in ein Register 25 übernommen, welches zugleich die
Zähler 21 und 23 auf 0 stellt so daß beide erneut gefüllt werden können. Es sei
nun angenommen, daß der Meßwandler 2 am unteren Ende des Meßbereiche eine Frequenz
von 5 kHz und am oberen Ende des Meßbereiches eine Frequenz von 7 k liefert. Dann
ergibt sich der Inhalt des Registers 25 am unteren Ende des Meßbereiches zu:
| ( 256 ###/5 kHz)(10 MHz) = 512 000 Bit |
Für das obere Ende des Meßbereiches ergibt sich der Inhalt des
Registers 25 zu: 365 715 Bit.
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Die Differenz beider Zählungen, nämlich 146 285 Bit stellt dann den
Meßbereich zwischen 0,3 und 130 kN/m² dar.
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Das Auflösungsvermögen errechnet sich dann wie folgt:
Da die Unsicherheit bei einem asynchronen Zähler immer # 1 Bit ist, kann die Auflösung
also als + 8,8 x 10-4kN/m² bezeichnet werden. Für einen 10 MHz-Oszillator, wie er
für diese Anordnung vorgesehen wird, kann eine maximale Toleranz' von + 75 Hz oder
1,5 Bit/100 k Bit angenommen werden; das bedeutet einen Fehler von 1,5 x 8,8 x 10-4
= + 0,00132 kN/m2 in der gesamten Frequenz/Digitalumwandlung.
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Da als Triggersignal für den Zähler die Frequenz des Drucksensors
verwendet wird, muß das in dem Zähler stehende 24 Bit BCD-Wort nun invertiert werden,
um nicht ein - bezogen auf den gemessenen Druck - umgekehrt proportionales Wort
oder Signal weiter verarbeiten zu müssen.
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Zu diesem Zweck ist der Inverter 5 vorgesehen.
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Der Ausgang des Inverters 5 wird einem Vergleicher 6 zugeführt. Sowohl
der Inverter 5 als auch der Vergleicher 6 sind mit einem Mikroprocessor 7 zur weiteren
Auswertung der Meßdaten verbunden. Dem Mikroprocessor ist ein Speicher 8 nachgeschaltet.
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Die Auswerteschaltung umfaßt ferner eine Einstellvorrichtung 9 mit
einem vorwählbare bzw. einstellbaren Zähler, mit dessen Hilfe auch eine Justierung
des gesamten Systems möglich ist.
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Der eingestellte Wert A wird dem Vergleicher zugeführt, der von dem
Inverter Szugleich das Signal B erhält. Ein Jusiersignal geht von der Einstellvorrichtung
9 an den Inverter 5.
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Von dem Inverter 5 und/oder von dem Vergleicher 6 her wird 1 eine
Anzeigevorrichtung 10 gespeist. Diese zeigt den jeweils gemessenen Wert des Druckes
digital an. Die Anzeigevorrichtung und der Ausgang des Vergleichers 6 sind an einem
Ausgang 11 der Gesamtvorrichtung angesdlossen. Von diesem aus können weitere externe
Geräte gespeist werden.
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Der Vergleicher 6 vergleicht den von dem Inverter 5 kommenden Wert
mit dem in der Einstellvorrichtung 9 eingestellten bzw. vorgegebenen Wert und liefert
ein Differenzsignal an 1
einen Digital-Analogwandler 12. Gleichzeitig
wird in dem Vergleicher ein Signal A< B bzw. A >B an einen Analogschalter
13 weiter gegeben.
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Dem Digital-Analogwandler 12 ist eine an sich bekannte Vorrichtung
zugeordnet, wobei die höherwertigenStellen des insgesamt sechsstelligen Ausgangssignals
unterdrückt werden, so daß nur die auf Druckänderungen zuerst reagierenden unteren
Stellen des Signals bearbeitet werden müssen. Der Ausgang des Digital-Analogwandlers
wird einem Servoverstärker 14 zugeführt und gibt ein Maß für die von diesem zu erzeugenden
Steuersignale, während der Analogschalter 13 an den Servorverstärker 14 direkt die
Richtungssignale an den Servoverstärker 14 weitergibt.
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Die Ausgangsgrößen des Servoverstärkers 14 werden ebenfalls dem Ausgangsregister
11 der Vorrichtung zugeführt.
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Die Ausgangsspannung des Wandlers 12 liegt zwischen minus 10 V und
plus 10 V = Spannung. Die Auflösung beträgt daher 39 mV/Bit,
Der Servoverstärker 14 dem diese Spannung zugeführt wird, steuert
einen Gleichstrommotor in dem Servosystem 15. Der Motor ist so ausgelegt, daß eine
Amplitude von mehr als einem Bit bereits in eine mechanische Drehbewegung der Motorwelle
umgesetzt werden kann.
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Der Analogschalter 13 verhindert durch geeignete Auslegung dass der
angesteuerte Servomotor dauernd in der einen oder der anderen Drehrichtung läuft,
so daß eine Uberempfindlichkeit des Systems z.B. durch Rauschsignale vermieden wird.
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Der Motor treibt direkt die Welle eines pneumatischen Regulator-Bauelementes,
welches im wesentlich zwei steuerbare Ventile beinhaltet.
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Die Servosteuerung bew rkt die Zuschaltung einer Vakuumleitung 16
oder einer Druckleitung 17 zu einer Ausgangsleitu 18, die zu dem Druckbehälter 1
führt. Uber diese Druckleitung 18 bzw. über den Innenraum des Druckbehälters 1 ist
die für einen Regelkreis erforderliche Rückführung zu der Meßsonde 2 gegeben.
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Das hier beschriebene elektronische Druckgebersystem bietet se(bstverständlich
die Möglichkeit, neben der optischen Anzeige auf der Frontplatte mit anderen Geräten
auf digitaler
Basis zu korrespondieren. Zu diesem Zweck werden
neben den parallel oder seriell zur Verfügung stehenden Daten-Worten (24 Bit BCD)
ein Data Ready Signal" und ein Presseure Ready Signal" erzeugt.
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Das "Data Ready Signal" wird zur Definition des Ubergabezeitpunktes
von. einem Datenwort benötigt (Printer, Automatic Tester etc) und das Presseure
Ready Signal" wird benötigt, um einem automatischen Testgerät die Stabilisierung
bzw. die Einstellung des gewünschten Druckes zu melden.
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Diese Daten we:rden ständig unabhängig von der Stellung des Betriebsartenschalters
an den Ausgang 11 des Gerätes geliefert. Eine Datenübernahme jedoch kann nur in
Stellung 'XRemote Control" erfolgen.