DE2733792C2 - Verfahren und Schalteinrichtung zur Kompensationsverstärkung periodischer oder getakteter elektrischer Meßsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schalteinrichtung zur Kompensationsverstärkung periodischer oder getakteter elektrischer Meßsignale mit phasenselektiver Gleichrichtung in einem Kompensationsregelkreis und bezweckt eine verbesserte Beseitigung von Störgrößen.

Bei den bekannten Kompensationsverstärkern, wie sie beispielsweise bei magnetisch-induktiven Durchflußmessern, optischen Meßgeräten u.dgl. zur Anwendung kommen, werden die periodischen bzw. getakteten, meist sehr kleinen Meßsignale häufig von äußeren Störgrößen beeinflußt, welche die Messung ungenau oder gar unmöglich machen. Zu diesen äußeren Störgrößen gehören beispielsweise Erdungsströme im Bereich elektrisch betriebener Bahnlinien, Kraftwerke usw, die zu Fehlspannungen führen können. Zur Beseitigung solcher Störgrößen sind verschiedene Vorschläge bekannt, welche jedoch die Mängel nur teilweise oder sehr aufwendig beseitigen.

In der Regel wird bei Kompensations-Verstärkern die im Takt einer periodischen Erregergröße schwankende, häufig von Störspannungen überlagerte Meßspannung U\ von einem Eingangsverstärker in eine Spannung geeigneter Größe umgesetzt. In einer Vergleichstufe Wird diese dann mit einer von einem Ausgangsverstärker über ein Bewertungsglied, dem auch eine mit einer Referenzspannung multiplizierende Multiplikationseinrichtung zugeordnet sein kann, gelieferten Vefgleichsspannung K\ · Ua verglichen, die der Vergleichsstüfe über einen Modulator, der im einfachsten Fall aus einem periodisch schließenden Schalter besteht, in einer der Signalspannung gleichen Kurvenform und Phasenlage zugeführt wird, im Falle einer Differenz zwischen der verstärkten Meßspannung und der Vergleichsspannung wird die Differenzspannung (Fehlersignal) durch einen

Verstärker verstärkt Die mit der Erregergröße im Takt schwankende Ausgangsspannung des Verstärkers wird durch sjnchrone Taktsteuerung eines Demodulators dann phasenselektiv gleichgerichtet und in ein festgelegtes Ausgangssignal U_A umgesetzt, welches einerseits als kompensierte Meßgröße Verwendung findet, andererseits mit der Vergleichsstufe rückgekoppelt ist

Die verstärkte Differenzspannung am Ausgang des Vergleichsgliedes wird bei periodischen Signalen meist durch phasenselektive Gleichrichtung in eine Gleichspannung umgesetzt. Di^ phasenselektive Gleichrichtung ist die Bildung der Differenz zeitlich nacheinander folgender Amplitudenwerte des gleichzurichtenden Signales. Die Meß-Zeitpunkte, an denen die Amplitudenwerte, deren Differenz zu bilden ist, erfaßt werden sollen, werden durch ein Taktsignal festgelegt Wenn dem gleichzurichtenden Signal ein Störsignal fester Frequenz überlagert ist und das Taktsignal phasenstarr so an die Störfrequenz angekoppelt ist daß bei jedem Meßzeitpuiikt der gleiche Amplitudenwert des Störsignals erfaßt wird, wird das Störsignal vom phasenselektiven Gleichrichter unterdrückt

Bei Schaltungen dieser Art ist man bestrebt die Verstärkung des Feli«rsignals so groß wie möglich zu machen, um beispielsweise auf Änderungen der Verstärkung oder der Gleichrichtercharakteristik zurückzuführende Einflüsse klein zu halten oder die Meßgenauigkeit beeinflussende Gleichspannungsfehler des häufig mit Gleichspannungs-Verstärkern aufgebauten phasenselektiven Gleichrichters und der nachfolgenden Stufen gering zu halten. Eine hohe Verstärkung ist auch erforderlich, wenn dem Rückkopplungskreis eine Referenzspannung aufgegeben wird. Da Störgrößen hinter der Vergleichsstufe erhalten bleiben, muß andererseits jedoch der Verstärkungsfaktor für die Vergleichsspannung so weit reduzier* werden, daß eine größtmögliche Störspannung diesen Verstärker nicht übersteuert.

Das wirkt sich jedoch wieder zu Lasten der Meßgenauigkeit aus. Implizierte Störgrößen sind daher Ursache dafür, daß der Kompensationsverstärkerkreis nur mit einer begrenzten Meßgenauigkeit eingerichtet werden kann. Eine denkbare Verwendung von Filtern mil schmalem Frequenzgang, welche nur die Taktfrequenz des Meßsignals durchlassen, wäre nicht nur teuer, sondern hätte auch den Nachteil, daß die Bandbreite hierfür nicht genügend schmal gemacht werden kann und im Bereich der Durchflußfrequenz die Phasenfehler so groß werden, daß der ganze Kreis instabil wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den störenden Einfluß der äußeren Störgrößen auf die Verstärker- und Demodulationsstufen auszuschließen und dadurch die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Fehlersignal des Kompensationskreises im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals gespeichert und die gespeicherte Größe erst danach verstärkt und demoduliert wird.

Die neue Verfahrensweise hat den wesentlichen Vorteil, daß durch diese Speicherung des Fehtersignals die Störgröße schon vor der Verstärkung und Demodulation eliminiert wird. Die Verstärker und Demodulationsstufen können kleinere Meßsignale er-

fassen und für eine größere MeOgenauigkeil ausgebildet werden. Eine durch äußere Störgrößen verursachte Übersteuerung der Verstärker über die Rückkopplung wird vermieden. Die Fehler-Signal-Verstärker können ohne Gefahr der Übersteuerung für höhere Verstärkungsfaktoren ausgelegt werden, wodurch eine höhere Meßgenauigkeit erzielt wird.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schalteinrichtung benötigt außer den ohnehin für den Kompensationskreis erforderlichen Bauelementen nur einen mit je einem vorgeschalteten bzw. nachgeschalleten Schalter versehenen Speicher, welcher zwischen den Ausgang der Vergleichsstufe und die folgenden Verstärker- und/oder Demodulationsstufen geschaltet ist, wobei der vorgeschaltete Schalter im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals und der π ach geschaltete Schalter nach dem öffnen des vorgeschalteten Schalters geschlossen wird. Hierfür geeignete Analogspeicher sind sehr preiswert.

Ist die Fehlerspannung in den Speicher eingegeben, so wird durch öffnen des vorgeschalteten Schalters die Einwirkung von Störgrößen auf die gespeicherte Größe verhindert und nach dem Schließen des nachp*schalteten Schalters wird die gespeii herte Differenzspannung auf die Verstärker- und Demodulationsstufen übertragen Die durch das Schließen des vorgeschalteten Schalters bestimmten aufeinanderfolgenden Speicherzeitpunkte werden synchron zur Störfrequenz gesteuert. Hierdurch wird erreicht, daß die gespeicherte Spannung allein von der Differenzspannung aus Meßsignal und Vergleichsgröße verändert werden kann.

Das abgerufene Differenzsignal wird durch die Einschaltdauer des nachgeschalteten Schalters zeitlich begrenzt. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, dieses Differenzsignal wieder auf das Taktmaß des Meßsignals zu bringen. Dies kann erfindungsgemäß dadurch geschehen, daß zwischen dem nachgeschalteten Schalter und den folgenden Verstärker- und/oder Demodulationsstufen ein weiterer Speicher vorgesehen ist. Dieser InIt die vom ersten Speicher abgerufene Spannung bis zum folgenden Abruf, wodurch das gewünschte Taktmaß erhalten ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Kompensationsverstärker mit einem Speicher in Einern Blockschaltbild,

F i g. 2 einen Kompensationsverstärker mit zwei Speichern in einem Blockschaltbild und

F i g. 3 ein die Schaltzustände des Kompensationsverstärkers gemäß F i g. 1 wiedergebendes Diagramm.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Meßspannung U\ über einen Eingangsverstärker 1 in den Kompensationskreis 2 eingeführt. Der Kompensationskreis besitzt eine Vergleichsstufe 2, welche aus der vorverstärkten Meßspannung U\ und einer über eine Rückkopplung erhaltene Vergleichsspannung k\ Ua eine Differenzspan-Ming L^ bildet. Weiterhin weist der Kompensationskreis ein oder mehrere Verstärkerstufen 3, einen Demodulator 4 und einen Ausgangsverstärker 5 auf, welcher die kompensierte Ausgangsspannung Ua liefert Der Rückkopplungskreis wird an die Ausgangsspannung Ua angeschlossen und umfaßt ein Bewertungsglied 6 zur Bildung der Vergleichsspannung k\ Ua< Erfindungsgemäß ist zwischen der Vergleichsstufe 2 und der nächstfolgenden Verstärkerstufe 3 ein Speicher 7 zwischengeschaltet, dem ein Schalter S\ Vorgeschaltet und ein Schalter Si nachgeschaltet ist. Der Speicher 7 kann ein üblicher Analogspeicher sein, dessen Konden saior die ihm zugeführte Spannung auch nach Öffnen von Si aufrechterhält. Schließlich ist zwischen dab Bewertungiiglied 6, z. B. ein Potentiometer, und die Vergleichsstufe 2 ein Schalter S/.wischengeschaltet, der die einfachste Form eines Modulators darstellt

Als Meßgröße steht eine periodische Meßspannung U\ an, die auch durch eine Taktung erzeugt sein kann. Stammt diese beispielsweise von einem magnetisch-induktiven Durchflußmesser, so wird sie mit der Frequenz des Feldspulenstromes, die meist als Bruchteil der Netzfrequenz gewählt wird, induziert In der Vergieichsstufe 2 wird die vorverstärkte Meßspannung U\ mit der vom Rückkopplungskreis kommenden Vergleichsspannung Ic\Ua verglichen. Eine von äußeren Störgrößen nicht überlagerte Differenzspannung wird bei dem bekannten Verfahren unmittelbar den Verstärkerstufen

3 und dem Demodulator zugeführt. Der Demodulator 4 hat einen üblichen Aufbau, wobei er durch eine geeignete Taktung in Abhängigkeit von der Störfrequenz die Differenzspannung einer Meßphase unmittelbar auf einen Kondensator durchmit, während die andere Meßphase dem Kondensator n& invertierte Differenzgröße zugeführt wird. Die dann am Kondensator anstehende Spannung ergibt nach einer Verstärkung durch den Ausgangsverstärker 5 die Ausgangsspannung Ua, weLne die kompensierte Meßgröße darstellt und für Anzeige- oder Regelzwecke verwendet werden kann und außerdem für die Rückkopplung Verwendung findet

Dieser üblichen Verfahrensweise ist erfindungsgemäß eine Speicherung zugeordnet, deren Aufgabe es ist, eventuelle äußere Störgrößen zu eliminieren. Im Falle einer Oberlagerung der Meßspannung U\ durch eine Störspannung wird diese Überlagerung auch auf die Differenzspannung übertragen. Sobald die Meßspannung U\ und damit die Differenzspannung Lh einer Meßphase eingeschwungen ist, wird der Schalter Si geschlossen, wobei gleichzeitig der Schalter S? geöffnet bleibt Die Differenzspannung Ui wird dem Speicher 7 aufgegeben. Der Schalter Si wird nun in Abhängigkeit von der Störfrequenz gesteuert so daß die Störgrößen aufeinanderfolgender Meßphasen immer in gleichen Phasen der Störfrequenz erfaßt und gespeichert werden und auf dem entsprechenden Spannungsniveau von geänderten Meßspannungen kommende Differer.zgrößen allein zur Wirkung gelangen. 1st der Schalter Si geschlossen, wird der Schalter Si geöffnet, ebenfalls von der Störfrequenz gesteuert. Die gespeicherte Spannung

so wird nun den Verstärkerstufen 3 und dem Demodulator

4 aufgegeben, und zwar mit einer der Öffnungsphase des Schalters S? entsprechenden Zeitdauer. Der Schalter 3 im Rückkopplungskreis wird hingegen im Takt der Meßphasen abwechselnd ein- und ausgeschaltet. In F '. g. ^ sind unter dem Spannungs-Zeitdiagramm für die Meßspannung U* die Schaltphasen der Schalter S-, S? und Sj dargestellt.

Die in F i g. 2 gezeigte Ausführung unterscheidet sich von der in F ι g. 1 dargestellten Ausführung nur dadurch.

daß zwischen den Schalter Sj und die folgende Verstärkerstufe 3 ein weiterer Speicher 8 zwischengeschältet und die mögliche Eingabe einer Referenzspannung i/re/'angedeutet ist, welche dem Bewertungsglied 6 multiplikativ aufgegeben werden kann und zu einer Vergleichsspannung k% · Ua · !/«/-führt. Der zusätzliche Speicher 8 hat dir Aufgabe, die vom Speicher 7 kommende Differenzspannung zu speichern, so daß diese auch noch für die folgenden Stufen ansteht, wenn

der Schalter & wieder geöffnet wird. Hierdurch wird das Diffcrenzsignal wieder auf eine einer ganzen McDphasc entsprechende ZeitgröBc gebracht. Dieser Speicher 8 kann aus einem Analogspeicher bestehen, aber auch durch einen Kondensator gebildet werden,

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur !Compensationsverstärkung periodischer oder getakteter elektrischer Meßsignale mit phasenselektiver Gleichrichtung in einen Kompensationsregelkreis, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal des Kompensationskreises im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals gespeichert und die gespeicherte Größe erst danach verstärkt und demoduliert wird.

Z Schalteinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, bestehend aus einem Eingangsvertärker, einer Vergleichsstufe, einer Verstärkerstufe für die Differemzspannung, einer Demodulationsstufe, einem Ausgangsverstärker, einem zur Vergleichsstufe führenden Rückkopplungskreis und von einem Taktgeber gesteuerte Schalter für den Demodulationskreis und Rückkopplungskreis, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Verglek:l--sstufe (2) und dem folgenden Verstärker (3) iintf/oder Demodulationsstufen (4) ein Speicher (8) mit einem vor- bzw. nachgeschalteten Schalter (9 bzw. 10) vorgesehen ist, wobei der vorgeschaltete Schalter (9) im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals geschlossen und der nachgeschaltete Schalter (10) nach dem öffnen des vorgeschalteten Schalters geschlossen wird.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem nachgeschalteten Schalter (10) und den folgenden Verstärker- und/oder Drmodulationsstufen (3 bzw. 4) ein weiterer Speicher{!2) vorgesehen ist.