DE2725618A1

DE2725618A1 - Vorrichtung zur messung des integrals einer physikalischen groesse

Info

Publication number: DE2725618A1
Application number: DE19772725618
Authority: DE
Inventors: Niels Engell Andersen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-06-07
Filing date: 1977-06-07
Publication date: 1978-12-14
Also published as: DE2725618C3; DE2725618B2; DK246378A

Description

Vorrichtung zur Messung des Integrals einer physikalischen Größe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Integrals einer physikaischen Größe, insbesondere in Abhängigkeit vom Durchfluß arbeitender Volumenzähler, mit einem Umformer, der aus einem zur physikalischen Größe proportionalen Steuerstrom eine Impulsfolge mit etwa stromproportionaler Frequenz bildet, und mit einem Impulszähler.
Es ist bekannt, den Flilssigkeitsdurchfluß durch eine Flüssigkeitsleitung zu messen, in ein Stromsignal umzusetzen, dieses in eine proportionale Impulsfolge umzuwandeln und die Impulse in einem elektromechanischen Impulszlhler zu zählen. Dieser Impulszähler zeigt dann das 3eweils durch die Leitung geflossene Volumen an.
Dem Stromsignal kann dauernd ein konstanter Ruhestrom überlagert sein. Derartige Meßvorrichtungen sind verhältnismäßig aufwendig und daher teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die einen vergleichsweise geringen Aufwand erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Stromkreis des Steuerstroms ein Kondensator angeordnet ist, daß ein bistabiles Kippglied bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts der Kondensatorspannung in den ersten und bei Unterschreiten eines unteren Grenzwerts der Kondensatorspannung in den zweiten Kippzustand geht, daß der Kondendensator von einer Schaltstrecke überbrücke ist, die während des ersten Kippzustandes des bistabilen Kippgliedes in den leitenden Zustand gesteuert wird und daß ein von den Kippzuständen abhängiges Signal die Impulsfolge bildet.
Bei dieser Vorrichtung wird der Kondensator vom Steuerstrom aufgeladen, bis der obere Grenzwert der Kondensatorspannung erreicht ist, und anschließend ueberdie Schaltstrecke entladen, bis der untere Grenzwert der Kondensatorspannung erreicht ist.
Die Ladezeit hängt linear mit dem Steuerstrom zusammen; sie bestimmt den Impulsabstand und damit die Impulsfrequenz. Die Entladezeit ist in allen Fällen konstant und kann ausreichend klein gehalten werden, so daß sie die Proportionalität zwischen Steuerstrom und Impulsfrequenz nicht störend beieinflußt. Da der Steuerstrom ein eingeprägter Strom ist, kann er dem Kondensator direkt zugeführt werden. Kondensator, Kippglieder und Schaltstrecke sind sehr einfache Bauelemente, so daß der erforderliche Aufwand gering ist.
Insbesondere kann ein erster Vergleicher den oberen und ein zweiter Vergleicher den unteren Grenzwert feststellen und das bistabile Kippglied ein Flipflop sein, der von einem Vergleicher gesetzt und vom anderen Vergleicher rückgesetzt wird. Dies ergibt mit geringem Aufwand eindeutige Schaltverhältnisse.
Des weiteren kann die Schaltstrecke von einem Transistor gebildet sein, dessen Basis vom Flipflop-Ausganssignal gesteuert ist. Ein auf diese Weise direkt angesteuerter Transistor kann den Kondensator direkt überbrücken und verhältnismäßig rasch entladen.
Da integrierte Schaltungen, bei denen zwei Vergleicher, ein Flipflop und ein Transistor und gegebenenfalls noch weitere Bestandteile zusammengefaßt sind, handelsüblich sind, empfiehlt es sich, eine solche integrierte Schaltung zu verwenden.
Bei einer anderen Alternative ist dafUr gesorgt, daß die Schaltstrecke von einer Diode gebildet ist, deren einer Anschluß mit der einen Elektrode des Kondensators verbunden und deren anderer Anschluß in Abhängigkeit vom Flipflop-Ausgangssignal mit einer Spannung speisbar ist, die abwechselnd größer ist als der obere Grenzwert und kleiner als der untere Grenzwert der Kondensatorspannung. Hierbei wird der Kondensator über die Diode entladen.
Hierbei kann insbesondere der andere Anschluß der Diode mit dem Ausgang einer vom Flipflop-Ausgangssignal gesteuerten Umkehrstufe verbunden sein.
Die Transistor-Schaltstrecke und die Dioden-Schaltstrecke werden mit besonderem Vorteil gleichzeitig angewendet, weil dann eine außerordentlich rasche Entladung des Kondensators erfolgt, ohne daß die Schaltstrecken überlastet werden.
Wenn der Eingangsstrom aus einem konstanten Anteil und einem zur physikalischen Große proportionalen Anteil zusammengesetzt ist, empfiehlt es sich, daß ein Meßwiderstand, über den der Einganasstrom geleitet wird, zwischen einem Eingang eines Spannungsverstärkers und einem ersten Spannungsbezugspunkt und ein Spannungsteiler, dessen Abgriff mit dem anderen Eingang des Verstärkers verbunden ist, zwischen diesem ersten und einem zweiten Spannungsbezugspunkt angeordnet ist, und daß der Steuerstrom mittels eines von der Ausgangsspannung des Spannungsverstärke gesteuerten Strongenerator erzeugt wird. Am Meßwiderstand wird der eingeprigte Eingangs strom in eine Spannung umgesetzt. Mit Hilfe des Spannungsteilers wird von dieser Spannung eine den konstanten Stronanteil entsprechende Spannung abgezogen. Die Ausgangsspannung wird dann mittels des Stromgenerators in einen eingepztgten Steuerstrom umgesetzt, der der gemessenen physikalischenGröße proportional ist.
Insbesondere kann der Stromgenerator durch zwei von einem Operationsverstärker angesteuerte Transistoren in Darlington-Schaltung gebildet sein.
Des weiteren ist es günstig, wenn die Frequenz der Impulsfolge mittels Dekadenteilern herabgesetzt und dem Impulszähler ein monostabiler Multivibrator vorgeschaltet ist. Bei dieser Schaltung kann man einen verhältnismäßig kleinen und daher preiswerten Kondensator verwenden, der mit einer verhältnismäßig großen Frequenz arbeitet. Mittels der Dekadenteiler wird diese Frequenz so weit herabgesetzt, daß sie bequem ausgewertet werden kann, zum Beispiel mit Hilfe eines elektromechanischen Impulszählers. Um eindeutige Schaltbefehle für einen solchen Impulszähler zu erhalten, ist ein monostabiler Multivibrator vorgesehen, der Impulse genau vorgegebener ebener Größe und Dauer abgibt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 den Eingangsteil einer abgewandelten erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 den Spannungsverlauf am Kondensator und Fig. 4 den Spannungsverlauf am Ausgang der Umkehrstufe.
Bei der Ausführungsform der Figur 1 ist eine Meßvorrichtung 1 vorgesehen, welche den Durchfluß durch eine Flüssigkeitsleitung 2 mißt. Die Meßvorrichtung gibt über die Meßleitungen 3 und 4 einen Eingangsstrom i1 ab, der, unabhängig von den Widerstandsverhältnissen in diesen Signalleitungen, dem gemessenen Durchfluß annähernd proportional ist. Ein Kondensator C wird von diesem Steuerstrom il aufgeladen.
Die Entladung des Kondensators C erfolgt über zwei Schaltstrecken. Die eine Schaltstrecke ist durch einen Transistor T1 vorgegeben, die andere Schaltstrecke durch eine Diode D, die mit einem Widerstand R1 in Reihe liegt. Beide Schaltstrecken werden auf die nachstehend beschriebene Weise gesteuert. Die Spannung am Kondensator Uc wird einem Eingang eines ersten Vergleichers 5 und eines zweiten Vergleichers 6 zugeführt. Der zweite Eingang des Vergleichers 5 liegt am Abgriff 7, und der zweite Eingang des Vergleichers 6 am Abgriff 8 eines Spannungsteilers 9, der aus den Widerständen R2, R3 und R4 besteht und mit einer festen Spannung Ub gespeist wird. Der Vergleicher 5 gibt an den Setzeingang eines Flipflop 10 ein Ausgangssignal ab, wenn die Kondensatorspannung c die Grenzwert spannung am Abgriff 7 überschreitet. Der Vergleicher 6 gibt an den RUcksetzeingang des Flipflop 10 ein Ausgangssignal ab, wenn die Kondensatorspannung c den Spannungsgrenzwert U8 am Abgriff 8 unterschreitet. Die Ausgangsspannung U10 des Flipflop 10 steuert einerseits den Transistor T1 und andererseits eine Umkehrstufe 11, deren Ausgangsspannung U11 eine anschließend weiter ausgewertete Impulsfolge bildet.
Dies führt zu der in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 beschriebenen Funktion. Der Steuerstrom i1 lädt den Kondensator C vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 auf. Dann wird der obere Grenzwert U7 überschritten. Der Flipflop 10 wird gesetzt, die Spannung U10 nimmt den logischen Wert 1 an. Der Transistor T1 wird leitend. Gleichzeitig wird die Ausgangsspannung U11 auf Null abgesenkt und die Diode D wird ebenfalls leitend. Beides führt zu einer rachen Entladung des Kondensators C. Zum Zeitpunkt t3 wird der untere Grenzwert U8 unterschritten. Der Flipflop 10 wird zurückgestellt. Der Transistor T1 sperrt ebenso wie die Diode D. Der Vorgang wiederholt sich.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausgangsspannung U11 wird einem ersten Teiler 12 zugeführt, die die Frequenz beispielsweise durch 100 teilt. Es folgen mehrere programmierbare Dekadenteiler 13, 13', mit deren Hilfe die Frequenz erneut, diesmal aber um einen wählbaren Faktor, der beispielsweise zwischen 102 und 106 liegt, herabgesetzt wird. Der Ausgang des letzten Teilers wird einem monostabilen Multivibrator 14 zugeführt, der eine Impulsanpassung bewirkt, so daß ein nachgeschalteter externer Zähler 15 und ein interner Zähler 16, die elektromechanisch arbeiten, sicher betätigt werden können. Der Transistor T1, die Vergleicher 5 und 6, der Flipflop 10 und die Umkehrstufe 11 sowie der Spannungsbiler 9 sind Teile einer integrierten Schaltung 17, wie sie handelsüblich ist. Auch die übrigen Bauelemente sind handelsüblich und insgesamt ergibt sich daher eine sehr einfache, billige Schaltung.
Bei einem Ausführungsbeispiel betrug die feste Spannung Ub = 15 V, der obere Grenzwert U7 - 10 V und der untere Grenzwert U8 = 5 V. Bei einem Steuerstrom i1 von 25 P bis 2,5 mA ergab sich eine Impulsfrequenz der Spannung U11 zwischen etwa 10 Hz und 103 Hz.
In Fig. 2 ist eine Alternativlösung veranschaulicht, bei der über die Signalleitungen 3 und 4 ein Signal strom i2 zugeführt wird, der sich aus einem konstanten Anteil (Ruhestrom) und einem zur physikalischen Größe etwa proportionalen Anteil zusammensetzt. Dieser Eingangsstrom kann nicht direkt integriert werden, weil sonst wegen des Ruhestroms ein erheblicher Integrationsfehler auftreten würde. Zu diesem Zweck ist zunächst eine Subtraktionsschaltung 18 vorgesehen. Diese weist einen Meßwiderstand R5 auf, über den der Eingangsstrom i2 geleitet wird, und einen Spannungsteiler 19, bestehend aus den Widerständen R6 und R7, der einerseits an der festen Spannung Ub und andererseits an einer Bezugsspannung U20 liegt. Die am Meßviderstand R5 und al Widerstand R6 auftretenden Spannungsabfälle werden subtrahiert und das Subtraktionsergebnis an die Eingänge eines Spannungsverstärkers 21 gelegt, der durch einen ohmischen Widerstand R8 überbrückt ist. In Reihe mit dem Spannungsteiler liegt noch ein Schalter 22, mit dessen Hilfe die Subtraktionsschaltung unwirksam gemacht werden kann. Am Ausgang des Verstärkers tritt demnach eine Spannung U21 auf, die dem proportionalen Anteil des Eingangsstromes i2 proportional ist. Dieser Wert kann mittels eines Spannungsmessers 23 angezeigt werden, der beispielsweise den Durchfluß durch die Leitung 2 anzeigt.
Die Ausgangsspannung U21 wird einem Stromgenerator 24 zugeführt, der einen Operationsverstärker 25 und zwei Transistoren T2 und T3 in Darlington-Schaltung aufweist. Mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 liegt ein Widerstand R9 und der Kondensator C in Reihe. Durch eine Rückführung 26 ist sichergestellt, daß der über den Widerstand R9 fließende und daher den Kondensator C aufladende Steuerstrom i3 proportional der Ausgangsspannung U21 des Spannungsverstärkers 21 ist. Der Kondensator C entspricht demjenigen der Fig. 1. Von der nachfolgenden Schaltung ist lediglich noch der Transistor T1 veranschaulicht.

Claims

PatentansPrUche 1. Vorrichtung zur Messung des Integrals einer physikalischen Größe, insbesondere in Abhängigkeit von Durchfluß arbeitender Volumenzähler, mit einem Umformer, der aus einem zur physikalischen Größe proportionalen Steuerstrom eine Impulsfolge mit etwa stromproportionaler Frequenz bildet, und mit einem Impulszähler, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis des Steuerstroms (i1 i3) ein Kondensator (C) angeordnet ist, daß ein bistabiles Kippglied (10) bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts (U7) der Kondensatorspannung (Uc) in den ersten und bei Unterschreiten eines unteren Grenzwerts (U8) der Kondensatorspannung in den zweiten Kippzustand geht, daß der Kondensator von einer Schaltstrecke (T1, D) überbrückt ist, die während des ersten Kippzustandes des bistabilen Kippgliedes in den leitenden Zustand gesteuert wird und daß ein von den Kippzuständen abhängiges Signal (U20) die Impulsfolge bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Vergleicher (5) den oberen und ein zweiter Vergleicher (6) den unteren Grenzwert feststellt und das bistabile Kippglied ein Flipflop (10) ist, der von einem Vergleicher gesetzt und vom anderen Vergleicher rückgesetzt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke von einem Transistor (T1) gebildet ist, dessen Basis vom Flipflop-Ausgangssignal (U10) gesteuert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Vergleicher (5, 6), der Flipflops (10) und der Transistor (T1) in einer integrierten Schaltung (17) zusammengefaßt sind.
5. Vorrichtung nach einem der AnsprUche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke von einer Diode (D) gebildet ist, deren einer Anschluß mit der einen Elektrode des Kondensators (C) verbunden und deren anderer Anschluß in Abhängigkeit vom Flipflop-Ausgangssignal (U10) mit einer Spannung (U11) speisbar ist, die abwechselnd größer ist als der obere Grenzwert (U7) und kleiner als der untere Grenzwert (U8) der Kondensatorspannung (Uc).
6. Vorrichtung nach einem der AnsprUche 2 bis 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Anschluß der Diode (D) mit dem Ausgang einer vom Flipflop-Ausgangssignal (U10) gesteuerten Umkehrstufe (11) verbunden ist.
7. Vorrichtung, bei der ein Eingangsstrom aus einem konstanten Anteil und einem zur physikalischen Größe etwa proportionalen Anteil zusammengesetzt ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwiderstand (R5), über den der Eingangsstrom (i2) geleitet wird, zwischen einem Eingang eines Spannungsverstärkers (21) und einem ersten Spannungsbezugspunkt (Ub) und ein Spannungsteiler (19), dessen Abgriff mit dem anderen Eingang des Verstärkers verbunden ist, zwischen diesem ersten und einem zweiten Spannungsbezugspunkt (U20) angeordnet ist, und daß der Steuerstrom (i) mittels eines von der Ausgangaspannung des Spannungsverstärkers gesteuerten Stromgenerator (24) erzeugt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stroigenerator (24) durch zwei von einen Operationsverstärker (25) angesteuerte Transistoren (T2, T3) in Darlington-Schaltung gebildet wird.
9. Vorrichtung nach inem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Impulsfolge (U11) mittels Dekadenteilern (13, 13') herabgesetzt und dem Impulszähler (15, 16) ein monostabiler Multivibrator (14) vorgeschaltet ist.