DE2725618B2

DE2725618B2 - Vorrichtung zur Messung des Integrals einer zeitabhängigen physikalischen Größe

Info

Publication number: DE2725618B2
Application number: DE19772725618
Authority: DE
Inventors: Niels Engell Augustenborg Andersen (Daenemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-06-07
Filing date: 1977-06-07
Publication date: 1979-11-08
Also published as: DE2725618C3; DK246378A; DE2725618A1

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schwcllwertspannung (Ik) etwa halb so groß ist wie die erste (lh).

i. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Kippschaltung ein Flip-Flop (10) und eine nachgcschalicte Umkehrstufe (II) umfaßt und daß tier Schalter einen mit seiner Kollcktor-Ernitter-Streeke parallel zum Kondensator (C) und mit seiner Basis an den Ausgang des Flip-Flops (10) geschalteten Transistor (T I) sowie eine Diode ^aufweist, die mit der einen Belegung des Kondensators (C) und mit dem Ausgang der Umkehrstufe (11) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (I, 18, 24) einen Schaltkreis (18) zur Kompensation eines von der physikalischen Größe unabhängigen Glcjchanicils im Mcßsirom enthalt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählschaliung (15, 16) Teilcrsehaltiingen (12, Π) vorgeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Meßvorrichtung dieser Art (DE-OS 24 05 567) wird der Meßstroni in eine proportionale Spannung umgesetzt und einem Miller-Integrator zugeführt, also einem Verstärker, dessen Ausgang über den Kondensator mit dem einen Eingang verbunden ist. Dem Integratorausgang ist ein Schmitt-Trigger nachgeschaltet, dessen Ausgangssignale einerseits einen zwecks Entladung parallel zum Kondensator geschalteten Feldeffekttransistor und andererseits einen mit einem Relais der Zählschallung in Reihe liegenden Transistor ansteuert. Die Schwellwerte des Schmitt-Triggers sind so bemessen, daß der Kondensator nach jeder Aufladung im wesentlichen vollständig entladen wird. Wegen der Endlichkeit des Verstärkungsfaktors des Verstärkers im Miller-Integrator und der verhältnismäßig langen Entladezeit ist die Proportionalität zwischen dem Meßstrom und der Frequenz der der Zählschaltung zugeführten Impulse schlecht.

Bei einer anderen bekannten Meßvorrichtung mit Miller-Integrator (»automatik« Mai 1972, Seiten 136 bis 142) wird die Ausgangsspannung des Integrators in einem Null-Indikator lediglich mit einer oberen Schwellwertspannung verglichen. Die Entladczeit wird durch einen monostabilen Multivibrator bestimmt. Bei einer anderen Variante wird die Fingangsspannung mittels eines Ladestromverstärkers in einen Strom umgewandelt und der Integrator besteht lediglich aus einem Kondensator, welcher direkt von dem Strom des Ladestromveistärkers aufladbar ist.

Es ist ferner bekannt (Siemens-Prospekt »Gleichstromintegrator«), den Flüssigkeilsdurchfluß durch eine Flüssigkeitsleitung zu messen, in ein Stromsignal umzusetzen, dieses in eine proportionale Impulsfolge umzuwandeln und die Impulse in einem elektromechanischen Impulszähler zu zahlen. Dieser Impulszähler zeigt dann das jeweils durch die Leitung geflossene Volumen an. Dem Stromsignal kann dauernd ein konstanter Ruhestrom überlagert sein. Derartige Meßvorrichlungcn sind vcrhälliismäUig aufwendig und daher teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichlung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sich eine möglichst gute Proportionalität zwischen dem Meßstrom und der Frequenz der der Zählschaltiing /ugclührlen Impulse ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn/eichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüchc.

Bei dieser Vorrichtung wird tier Kondensator vom Mcßstrom aufgeladen, bis der obere Grenzwert tier Kondensatorspannung erreicht ist. und anschließend über die Schaltstrcckc entladen, bis tier untere Grcn/wcrt der Kondensatorspannung erreicht ist. Die Ladezeit hängt linear mit dem Mcßsirom zusammen: sie bestimmt den Impulsabstand und damit die Impulsfrequcnz. Die Entladczeit ist in allen Fällen konstant und wird dadurch ausreichend klein gehallen, daß lediglich eine Tcilcntladung des Kondcn.siiiors im .steilen Abschnitt seiner Enlladckennlinie erfolgt. Infolge dessen wird die Proportionalität /wischen Mcßsirom und Impulsfrequenz nicht störend beeinflußt. Da der Meßstrom ein eingeprägter Strom ist. kann er dem Kondensator direkt /ugeführl werden. Kondensator. Kippglieder und Schaltsirecke sind sehr einfache

Bauelemente, so dull der erforderliehe Aufwand gering ist.

Genial] Anspruch 3 erfolgt eine besonders rasche Teilentladung des Kondensators, ohne daß die beiden Schakstrecken des Schalters überlastet werden. ">

Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 ist es möglich, auch einen MeBsirom auszuwerten, dem ein Gleichanteil überlagert ist

Die Merkmale des Anspruchs 5 erlauben es, einen verhältnismäßig kleinen und daher preiswerten Kondensator zu verwenden, der mit einer verhältnismäßig großen Frequenz arbeitet. Mittels der Dekadenteilcr wird diese Frequenz so weil herabgesetzt, daß sie bequem ausgewertet werden kann, zum Beispiel mit Hilfe eines elektromechanischen Impulszählers. Trotz ti der großen Frequenz bleibt aber die Proportionalität mit dem Meßstrom erhalten.

Bekannt sind auch integrierte Schaltungen, bei denen zwei Komperatoren, ein Flip-Flop und ein Transistor und gegebenenfalls notii weitere Bestandteile -Ό zusammengefaßt sind (Druckschrift XR-2556 Dual Timing Circuit der Firma Exar Integrated Systems).

Die F.rfindung wird nachstehend an H? id eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. I ein schematischcs Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung des Integrals,

Fig. 2 den Eingangsteil einer abgewandelten Vorrichtung,

F i g. 3 den Spannungsverlauf am Kondensator und w

F i g. 4 den Spannungsvcrlauf am Ausgang der Umkehrstufe.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist eine Meßvorrichtung 1 vorgesehen, welche den Durchfluß durch eine Flüssigkeitsleitung 2 mißt. Die Meßvorrich- !^r> lung gibt über die Signalleitiingen 3 und 4 einen Meßstrom ; I ab, der, unabhängig von den Widerstandsverhältnissen in diesen Signallcitungen, dem gemessenen Durchfluß annähernd proportional ist. Hin Kondensator t'wird von diesem Meßstrom /1 aufgeladen. -to

Die Entladung des Kondensators f erfolgt über zwei .Schaltstrecken, Die eine Schaltstrccke ist durch einen Transistor Tl vorgegeben, die andere Schaltstrccke durch eine Diode D. die mit einem Widerstand R I in Reihe liegt. Beide Schaltstrccken werden auf die '"> nachstehend beschriebene Weise gesteuert. Die Spannung im Kondensator U₁ wir! einem Eingang eines ersten Kompurators 5 und eines /weiten Komparator 6 zugeführt. Der zweite Eingang des Komparators 5 liegt am Abgriff 7, und der zweite Eingang des Komparators ^r>" 6 am Abgriff 8 einos Spannungsteilers 9, der aus den Widerstanden R2, R~i und R4 besteht und mit einer festen Spannung (Λ gespeist wird. Der Komparator 5 gibi an den Setzeingang eines Flip-Flops 10 ein Ausgangssignal ab, wenn die Kondensatorspannung U₁ '<■ eine erste Sv/hwellwcrtspannung Uj am Abgriff 7 überschreitet. Der Komparator 6 gibt an den Rückseizcingang des Flip-Flops 10 ein Ausgangssignal ab. wenn die Kondcnsiitorspannung U₁ eine gegenüber der ersten Schwcllwcrtspanming Uj kleinere /weite Schwellwerk ^b0 spannung '/« am Abgriff 8 unlcrsehrcitct. Die Ausgangs- «.pannting U\_n des l^;lip-f^;lops 10 steuert einerseits den Transistor Tl und andererseits eine Umkehrstufe 11, deren Ausgangsspannung i/_M eine anschließend weiter ausgewertete Impulsfolge bildet. fi¹·

Dies führt /u der in Verbindung mit den F i g. 3 und 4 beschriebenen !'unklion. Der Meßstrom /| lädt den Kondensator Cvc.m Zeitpunkt (i bis /um Zeitpunkt I2 auf. Dann wird die erste Schwcllwertspannung U₁ überschritten. Dts Flip-Flop 10 wird gesetzt, die Spannung U_w nimmt den logischen Wert I an.

Der Transistor Ti wird leitend. Gleichzeitig wird die Ausgangsspannung U\\ auf Null abgesenkt und die Diode D wird ebenfalls leitend. Beides führt zu einer raschen Entladung des Kondensators C. Zum Zeitpunkt ti wird die zweite Schwellwertspannung U» unterschritten. Das Flip-Flop 10 wird zurückgestellt. Der Transistor Ti sperrt ebenso wie die Diode D. Der Vorgang wiederholt sich.

Die in Fig.4 dargestellte Ausgangsspannung Uw 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 10" liegt, herabgesetzt wird. Der Ausgang des letzten Teilers wird einem monostabilen Multivibrator 14 zugeführt, der eine Impulsanpassung bewirkt, so daß ein nachgeschaltcter externer Zähler 15 und ein interner Zähler 16, dit elektromechanisch arbeiten, sit-her betätigt werden können. Der Transistor Ti, die Koip.pcratoren 5 und 6, der Flipflop 10 und die Umkehrstufe 11 sowie der Spannungsteiler 9 sind Teile einer integrieiien 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 fer.te Spannung Uh= 15 V, die erste .Schwcllwertspannung H = IOV und die zweite Schwcllwertspannung {.'s = 5 V. Bei einem Meßstrom /, von 25 μ bis 2,5 mA ergab sich eine Impulsfrequenz der Spannung Uw zwischen etwa 10 Hz und 10' Hz.

In F i g. 2 ist eine Alternativiösung veranschaulicht, bei der über die Signalleitungen 3 und 4 ein .Signalstrom /> zugeführt wird, der sich aus einem konstanten Anteil (Ruhestrom) und einem zur physikalischen Größe etwa proportionalen Anteil zusammensetzt. Dieser Signalstrom kann nicht direkt integriert werden, weil sonst wegen des Ruhestroms ein erheblicher Integrationsfehler auftreten würde. Zu diesem Zweck ist zunächst eine Kompensationsschaltung mit einer Subtraktionsschaitung 18 vorgesehen. Letztere weist einen MeB-widerstand R 5 auf. über den der Signals:rom Λ geleitet wiru, und einen Spannungsteiler 19. bestehend aus ilen Widersländen Rd und RT, der einerseits an der festen Spannung i//,und andererseits an einer Büzugsspaiinung Ihn liegt. Die am Meßwiderstand R 5 und am Widerstand R6 auftretenden Spannungsabfällc werden mittels eines Spannungsverstärkers 21, der durch einen ohmischen Widerstand RS überbrückt ist. subtrahiert. In Reihe mit dem Spannungsteiler liegt noc.'i ein Schalter 22, mit dessen Hilfe die Subiraktionsschaltung \ii unwirksam gemacht werden kann. Am Ausgang des Verstärkers tritt demnach eine Spannung Ui; auf. die dem proportionalen Anteil des Signalstroms /> proportional ist. Dieser Wert kann mittels eines Spannungsmesser 23 angezeigt werden, der beispielsweise den Durchfluß durrh die Leitung 2 anzeigt.

Die Aiisgangsspannung Ui\ wird einem Stromgenerator 24 zugeführt, der einen Operationsverstärker 25 und zwei Transistoren Tl und Γ3 in Da.'lington-Schaltung aufweist. Mit der Kollektor-Emittcr-Strccke des Transistors 7"3 liegt ein Widerstand R 9 und der Kondensator f'i.i Reihe. Durch eine Rückführung 26 ist sichergestellt, daß der über den Widerstand R 9 fließende und daher den Kondensator C aufladende

Mcßsirom /j proportional der Ausgangsspannung II₂\ des .Spannungsverstärkers 21 ist. Der Kondensator C entspricht demjenigen der F-" ig. 1. Von der nachfolgenden Schaltung ist lediglich noch der Transistor /I veranschaulicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Messung des Integrals einer zeitabhängigen physikalischen Größe, insbesondere des Ausgangssignals eines Durchflußmessers, mit

a) einem Wandler zur Erzeugung eines von der physikalischen Größe linear abhängigen Meßsiroms,

b) einem Integrator, der einen in Abhängigkeit vom Meßstroni aufladbaren Kondensator umfaßt,

c) einem Schalter zum Kurzschließendes Kondensators,

d) einer bistabilen Kippschaltung zum Schließer* des Schalters bei Überschreitung einer ersten Schwellwertspannung durch die Ausgangsspannung des Integrators und zum Öffnen des Schalters bei Unterschreitung einer zweiten niedrigeren Schwellwertspannung durch die Aüsgangsspaunung des Integrators.

e) einer Zählschaltung zum Zählen der von der Kippschaltung erzeugten Impulse.

dadurch gekennzeichnet, daß

f) der Integrator lediglich aus dem Kondensator (C) besteht, welcher derart an den Ausgang des Wandlers (1; 1, 18, 2 J) angeschlossen ist. daß er direkt vom Mcßstrom (i_u i>) aufladbar ist.

g) eine Referenzspannungsquclle (9) zur Erzeugung der ersten und zweiten Schwellwertspannung (Ui bzw. Un) vorgesehen ist.

h) ein jrster Komparator (5) zur Triggerung des Schlicßens rles Scr Itcrs (Ti, D) bei Überschreitung der ersten Schwcllwertspannung durch die Kondensate- spannung an die bislabile Kippschaltung (10, 11) angeschlossen ist.

i) ein /weiter Komparator (6) zur Triggerung der Öffnung des Schalters (Tl. D)bc\ Unicrschrcitung der /weiten Schwcllwertspannung durch die Kondensatorspannung ebenfalls an die bistabile Kippschaltung (10, 11) angeschlossen ist.