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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung einer physikalischen
Größe mit einem Meßfühler zur Erzeugung eines der physikalischen Größe entsprechenden
elektrischen Signals und mit einem elektrischen Parallelmodell (Beobachter) mit
Rückführung mit einem Verknüpfungsglied und mit einem Verstärker.
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Ein elektrisches Parallelmodell (Beobachter) mit Rückführung, das
dem von Luenberger entwickelten Beobachterprinzip" ähnelt (sh. den Artikel von E.
Pavlik in "Regelungstechnik" 1978, Heft 2 bzw. Heft 3), bietet theoretisch die Möglichkeit
der verzögerungsfreien Erfassung einer physikalischen Größe und ihrer zeitlichen
Änderung, beispielsweise der Temperatur, wobei vorausgesetzt wird, daß die anderen
Prozeßparameter konstant sind.
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In der Praxis treten jedoch bei der Realisierung eines solchen Beobachters
Schwierigkeiten auf, die im folgenden unter Bezugnahme auf die Figur 1 erläutert
werden sollen.
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Dabei wird als Beispiel für einen Meßfühler, also als Meßumformer
für die Umwandlung der physikalischen Größe in ein entsprechendes elektrisches Signal,
ein temperaturabhängiger Widerstand verwendet, wie er unter der Bezeichnung "PT
100" erhältlich ist. Ein solcher Meßfühler weist für diesen Anwendungsfall ein als
Schutzhalterung dienendes Metallrohr 4 auf, in dem sich eine rohrförmige Kunststoffhalterung
3 befindet, die hier aus Polycarbonat besteht. In der Kunststoffhalterung 3 ist
ein Metallrohr 2 angeordnet, das als Halterung für den temperaturabhängigen Widerstand
PT 100 dient, der durch einen Platindraht gebildet wird und durch das Bezugszeichen
1 angedeutet ist.
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Wenn sich nun die Temperatur an diesem Meßfühler und dementsprechend
der Widerstand des PT 100 ändern, dauert es aufgrund der durch die Pfeile angedeutetenWärmeströme
von dem PT 100 zu dem Metallrohr 2, zu der Kunststoffhalterung 3 und dem Metallrohr
4 bis zu mehreren Minuten, bis der Widerstand des PT 100 und damit das Meßsignal
annähernd der neuen Temperatur entspricht.
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Ein ähnlicher PleBfühler wird beispielsweise zur Bestimmung der Temperatur
eines transportierten Tabakstromes verwendet (sh. DE-OS 2 651 165). Die Kenntnis
der Tabaktemperatur ist zur genauen Bestimmung der Tabakfeuchte notwendig, wenn
beispielsweise die Tabakfeuchte über eine - temperaturabhängige - elektrische Leitfähigkeitsmessung
ermittelt wird.
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Wegen der erwähnten Meßträgheit eines solchen Temperaturfühlers kann
die Abweichung vom tatsächlichen Feuchtewert mehrere Prozent Feuchte betragen.
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Es besteht nun theoretisch die Möglichkeit, durch Verwendung eines
Beobachters den Temperaturwert praktisch verzögerungsfrei zu erhalten, indem ein
elektrisches Parallelmodell verwendet wird, das in seinem Zeitverhalten möglichst
genau dem zu überwachenden System, also in diesem Fall dem Meßgerät, entspricht,
wobei die verschiedenen, die Messung beeinflussenden Wärmeleitungs- und Speicherglieder
jeweils durch entsprechende Verzögerungsglieder nachgebildet werden, z.B. durch
RC-Glieder.
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Ein solches elektrisches Parallelmodell des hier besprochenen Meßfühlers
ist ebenfalls in Fig. 1 zu erkennen, wobei das Verzögerungsglied R1/C1 die Zeitkonstante
des Teiles des Metallrohrs 2 mit dem PT 100, die Verzögerungsglieder R21 ...n/C21...n
die verschiedenen Zeitkonstanten des passiven Teiles des Rohrs 2, das Verzögerungsglied
R31 n/C3 die Zeitkonstante der Kunststoffhalterung (3)
aus Polycarbonat,
der Widerstand RP den parallelen,durch Uet angedeuteten Wärmestrom direkt von dem
Tabak in das Metallrohr (4) und das Verzögerungsglied R4/C4 noch weitere Wärmeströme
außerhalb des eigentlichen Meßteils nachbilden. Diese Wärmeströme können beispielsweise
durch im Rohr eingeschlossene Luft oder durch die Wärmeübergänge an den Anschlußdrähten
hervorgerufen werden.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß das in Figur 1
zu erkennende elektrische Parallelmodell bereits stark vereinfacht ist, also gar
nicht alle in der Praxis auftretenden Wärmeströme bzw. Wärmeübergänge durch entsprechende
Verzögerungsglieder berücksichtigt.
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Durch Anpassung der Widerstandswerte bzw. Kapazitäten der Verzögerungsglieder
R/C an das zeitliche Verhalten des Prozesses bei einer Temperaturänderung wird das
angestrebte, elektrische Parallelmodell erhalten. Aus Figur 1 kann man jedoch erkennen,
daß die Bildung eines exakten elektrischen Modells sehr aufwendig und insbesondere
die Auswahl der geeigneten Werte für die Widerstände und die Kapazitäten sehr mühsam
wäre und sorgfältige, komplizierte Messungen erfordern würde.
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Außerdem können auch durch ein solches elektrisches Parallelmodell
die statischen Wärmeableitungen im elektrischen Modell nicht vollständig nachgebildet
werden, da sich ein Parameter des Originalprozesses ständig ändern kann. Unter diesen
statischen Wärmeableitungen oder "Trägheitskomponenten" werden vor allem jene Wärmefehlströme
verstanden, die während der gesamten Meßzeit, bei der Überwachung der Temperatur
von Tabak also bei der Produktionszeit, nicht oder nur geringfügig abnehmen, beispielsweise
die Abkühlung des Metallrohrs, der Halterung und ähnlicher Bauteile durch eine geringere
Luft- bzw. Umgebungstemperatur.
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Dieses Problem des komplizierten elektrischen Parallelmodells sowie
der Beeinflussung durch statische Größen tritt nicht nur bei dem hier erörterten,
zur Temperaturmessung verwendeten temperaturempfindlichen Widerstand PT 100, sondern
auch bei anderen Meßwandlern auf, wie beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, bei denen
die freie, der Atmosphäre zugewandte Oberfläche des kraftabhängigen Widerstandsdrahtes
bei einer Temperaturänderung den Verlauf des Meßsignals beeinflußt und zu einer
gewissen zeitlichen Verzögerung bis zum Erreichen des neuen Meßwertes führt.
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Würden die hierbei auftretenden äußeren Einflüsse ebenfalls durch
ein elektrisches, exaktes Parallelmodell erfaßt, so wäre auch hier eine aufwendige
elektrische Schaltungsanordnung erforderlich.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zur Messung einer physikalischen Größe der angegebenen Gattung zu schaffen, bei
der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.
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Insbesondere soll eine Einrichtung vorgeschlagen werden, die bei einfachem
schaltungstechnischen Aufbau auch die statischen Trägheitskomponenten berücksichtigt.
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Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine in der Nähe des Meßfühlers
vorgesehene Meßanordnung für die physikalische Größe zur Erzeugung eines elektrischen
Hilfssignals, durch eine Differenzmeßstufe für das elektrische Signal und für das
Hilfssignal, und durch ein dem zeitlichen Verhalten des Meßsystems einschließlich
der Differenzmeßstufe angepaßtes elektrisches Parallelmodell, wobei dem Verstärker
das mit dem Ausgangssignal des elektrischen Parallelmodells verknüpfte Ausgangssignal
der Differenzmeßstufe zugeführt wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere auf
folgender Funktionsweise: Die oben erläuterten Störungen der physikalischen Größe,
also bei der Temperaturmessung mittels eines temperaturempfindlichen Widerstandes
die Wärmeströme von dem zu messenden Material beispielsweise zur Halterung des Widerstandes,
werden mittels einer zweiten Meßanordnung erfaßt, die mindestens einen weiteren
Meßfühler, in diesem Fall also einen Temperaturfühler, enthält. Die Ausgangs Lgnale
der beiden Meßeinrichtungen werden über eine Differenzmeßstufe einem Verknüpfungsglied
zugeführt, das außerdem das Ausgangssignal des elektrischen Parallelmodells empfängt.
Durch die vorherige Differenzbildung hat dieses elektrische Parallelmodell einen
sehr einfachen Aufbau, der schaltungstechnisch ohne Probleme realisiert werden kann
und auch keine aufwendigen Anpassungsmessungen erfordert. Durch diese Meßanordnung
können beispielsweise bei der oben erläuterten Messung der Tabaktemperatur Temperaturänderungen
innerhalb von wenigen Sekunden erfaßt werden, was verglichen werden muß mit der
oben erwähnten, bisher üblichen Zeitspanne von mehreren Minuten bis zum näherungsweisen
Erreichen des neuen Temperaturwertes. Beim Einsatz eines solchen Temperaturmeßgerätes
für die Korrektur der - temperaturabhängigen -Feuchtigkeitsmessung von Tabak können
die "wahren" Feuchtigkeitswerte innerhalb von zwei bis fünf Sekunden nach einer
Änderung der Temperatur angezeigt werden, so daß in Abhängigkeit von dem ermittelten
Feuchtigkeitswert Regelvorgänge bei der Tabakaufbereitung eingeleitet werden können.
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Außerdem können durch die Differenzmeßstufe auch die oben erläuterten,
statischen Komponenten der Meßträgheit einer solchen Meßeinrichtung kompensiert
werden, was durch Verwendung eines Beobachters allein nicht möglich ist.
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Die Differenzmeßstufe enthält nach einer bevorzugten Ausführungsform
einen 1 : 1 Umkehrverstärker und zwei Addierer. Obwohl sich eine solche Differenzmeßstufe
auch mit einer Subtraktionsstufe realisieren läßt, wird aus technologischen Gründen
die oben erwähnte Ausführungsform verwendet, da Subtraktionsstufen in Abhängigkeit
von der angestrebten Genauigkeit der Schaltung bei kleinen Signalen eine schlechte
Gleichtaktunterdrückung haben.
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Bei der Anwendung des hier erläuterten Prinzips für die Temperaturmessung
mit einem temperaturabhängigen Widerstand besteht das elektrische Parallelmodell
nur aus zwei Tiefpässen, um die Verzögerung des Meßsignals bei einer Änderung der
Temperatur soweit auszugleichen, wie es für die Belange der Praxis erforderlich
ist.
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Diese Meßeinrichtung bildet also aus dem von dem trägen Meßfühler
erzeugten elektrischen Signal ein Meßsignal, dessen zeitlicher Verlauf weitgehend
dem ursprünglichen Signalverlauf der physikalischen Größe, beispielsweise der Tabaktemperatur,
angeglichen ist.
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Dabei ist wesentlich, daß das Signal am Ausgang der Differenzmeßstufe
nur noch die Trägheitskomponenten des Meßfühlers enthält, also in dem elektrischen
Parallelmodell unter Vernachlässigung der anderen Einflüsse nur noch dem Meßfühler
selbst entsprechende Verzögerungsglieder eingebaut werden müssen.
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Der Verstärker, der das mit dem Ausgangssignal der Differenzmeßstufe
verknüpfte Ausgangssignal' des elektrischen Parallelmodells empfängt, sollte einen
möglichst hohen Verstärkungsfaktor haben.
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Zweckmäßigerweise hat wenigstens einer der beiden Addierer in der
Differenzmeßstufe einen einstellbaren Verstärkungsfaktor K, wodurch die Anpassung
der Differenzbildung an die in der Praxis vorliegenden Verhältnisse ermöglicht wird.
Als Beispiel soll wieder auf die bereits oben erläuterte Temperaturmessung hingewiesen
werden, bei der ein zweiter Meßfühler nur die in seiner Nähe abfließenden Wärmeströme
erfassen kann. Durch entsprechende Wahl der Größe dieses Faktors K kann diese Messung
der Wärmeströme auf den gesamten Umfang des ersten Meßfühlers erweitert werden,
wodurch sich eine sehr gute Annäherung an die in der-Praxis vorliegenden Verhältnisse
ergibt.
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Selbstverständlich ist es im Prinzip jedoch auch möglich, mehrere
getrennte Meßfühler für die Bildung des Hilfssignals zu verwenden, wodurch sich
jedoch der schaltungs-und meßtechnische Aufbau erhöht.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch den temperaturabhängigen Widerstand PT 100 und die elektrische
Modellnachbildung eines solchen Meßfühlers und seiner Halterung, Fig. 2 einen Schnitt
durch eine erfindungsgemäße Einrichtung für die Temperaturmessung mittels eines
temperaturabhängigen Widerstandes, Fig. 3 einen Schnitt längs der Ebene A-A von
Fig. 2,
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau des Meßsystems, Fig. 5
den detaillierten Aufbau eines Meßsystems für die schnelle Temperaturmessung mittels
eines temperaturabhängigen Widerstandes, und Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau des
Beobachters für einen einen temperaturabhängigen Widerstand enthaltenden Temperaturfühler
mit zwei Verzögerungsgliedern.
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Wie man aus Fig. 2 erkennen kann, weist ein nach dem hier beanspruchten
Prinzip arbeitender Temperaturfühler ein gebogenes Metallrohr 4 auf, das von oben
auf die Oberfläche eines Tabakstroms aufgelegt wird. In das offene, untere Ende
des Metallrohrs 4 ist eine rohrförmige Kunststoffhalterung 3 aus Polycarbonat eingesetzt,
in der sich ein Metallrohr 2 befindet, das wiederum den als Temperaturfühler PT
100 dienenden Platindraht enthält, der über eine nicht dargestellte Leitung mit
der noch zu erläuternden Schaltungsanordnung verbunden ist.
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Weiterhin befindet sich in der Halterung 3 aus Polycarbonat ein zweiter
Temperaturfühler 5, der ebenfalls durch einen temperaturabhängigen Widerstand PT
100 gebildet wird; dieser Temperaturfühler 5 liegt direkt an der Außenfläche des
Metallrohrs 2 bzw. des ersten Temperaturfühlers 1 an, wie man in Fig. 3 erkennt,
um auf diese Weise den Wärmestrom zu erfassen, der bei einer Temperaturänderung
von dem ersten Temperaturfühler 1 bzw. seinem Metallrohr 2 über die Halterung nach
außen abfließt. Der erste Temperaturfühler 1 ist etwas außerhalb der Mitte des Rohrs
4 angeordnet, so daß sich die
beiden Temperaturfühler 1 bzw. 5
näherungsweise in der Mitte des Rohrs 4 befinden und dadurch gleichmäßig und fast
homogen durch die auftretenden Wärmeströme beaufschlagt werden.
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Auch der zweite Temperaturfühler 5 ist über nicht dargestellte Leitungen
mit der noch zu erläuternden Schaltungsanordnung verbunden.
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Der prinzipielle Aufbau des Meßsystems ist in Fig. 4 zu erkennen,
in der die beiden Meßfühler 1 und 5 sowie ihre zugehörigen Meßwandler-Eingangsstufen
I bzw. II dargestellt sind, die jeweils mit dem Bezugszeichen 6 bzw.
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7 versehen sind. Die Ausgangssignale der beiden Meßwandler-Eingangsstufen
6 und 7 werden auf eine Differenzmeßstufe 11 geführt, welche die Differenz aus den
Ausgangssignalen der beiden Meßfühler 1, 5 bzw. ihrer Eingangsstufen6, 7 bildet.
An den Ausgang der Differenzmeßstufe 11 ist ein Beobachter 9 angeschlossen, der
mit einer Ausgangsstufe 10 verbunden ist, an der das nutzbare Meßsignal auftritt.
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In Fig. 5 ist der Schaltungsaufbau dieses Meßsystems für die schnelle
Temperaturmessung mit Hilfe der beiden temperaturabhängigen Widerstände 1 und 5
dargestellt.
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Die von diesen temperaturabhängigen Widerständen 1 und 5 gelieferten
Ausgangssignale werden einer üblichen Linearisierungs- und Eingangsverstärkerstufe
6 bzw. 7 zugeführt, die den Meßwandler-Eingangsstufen I bzw. II in Fig. 4 entsprechen.
Diese Stufen 6 und 7 liefern also ein Ausgangssignal, das proportional zu der jeweiligen
Temperatur des zugehörigen Widerstandes 1 bzw. 5 ist.
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Die Ausgangssignale der beiden Linearisierungs- und Eingangsverstärkerstufen
6 und 7 werden einer Differenzmeßstufe
11 zugeführt, die einen
Umkehrverstärker 12 mit dem Verstärkungsfaktor 1, einen ersten Addierer 13 und einen
zweiten Addierer 15 enthält.
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Das Ausgangssignal der Linearisierungs- und Eingangsverstärkerstufe
6 wird dem zweiten Addierer 15 und gleichzeitig über den Umkehrverstärker 12 dem
ersten Addierer 13 zugeführt, der außerdem an seinem zweiten Eingang das Ausgangssignal
der Linearisierungs- und Eingangsverstärkerstufe 7 empfängt. Das Ausgangssignal
des ersten Addierers 13 wird dem zweiten Eingang des zweiten Addierers 15 zugeführt.
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Die Differenzmeßstufe 11 bildet also aus den Ausgangssignalen der
beiden temperaturabhängigen Widerstände 1 und 5, also aus der gerade vorhandenen
Temperatur des Temperaturfühlers 1 bzw. aus der Größe des Fehlerstroms, die durch
den Temperaturfühler 5 erfaßt wird, ein Signal, in dem die störenden Wärmeübergänge
zwischen dem ersten Meßfühler 1 und der Halterung kompensiert sind.
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Am Ausgang-der Differenzmeßstufe 11 erhält man also ein Signal, welches
nur noch die Trägheitskomponenten des ersten Meßfühlers 1 enthält.
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Durch die Einstellung eines entsprechenden Faktors K kann das Ausgangssignal
des ersten Addierers 13 so beeinflußt werden, daß nicht nur der den zweiten Temperaturfühler
5 direkt beeinflussende Wärmestrom, sondern auch der übrige, den zweiten Temperaturfühler
5 nicht direkt beaufschlagende Wärmestrom erfaßt werden kann.
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Wie sich aus Fig. 3 ergibt, befindet sich nämlich der zweite Temperaturfühler
5 nur auf einer Seite des ersten Temperaturfühlers 1, so daß der Wärmestrom auf
der gemäß dieser Darstellung linken Seite des Temperaturfühlers 1 nicht erfaßt wird.
Durch entsprechende Einstellung
des Ausgangssignals des ersten
Addierers 13 kann nach Durchführung einer Eichmessung dieses Ausgangssignal durch
Einstellung des Faktors K so verändert werden, daß es auch diesen Wärmestrom auf
indirektem Wege berücksichtigt.
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Das Ausgangssignal der Differenzmeßstufe 11 wird dem Beobachter 9
zugeführt, der ein elektrisches Parallelmodell des Meßsystems einschließlich der
Differenzmeßstufe 11 sowie einen Verstärker 16 mit möglichst hohem Verstärkungsfaktor
enthält. Der Verstärker 16 empfängt an seinem Eingang das mit dem Ausgangs signal
der Differenzmeßstufe 11, also des zweiten Addierers 15, verknüpfte Ausgangssignal
des elektrischen Parallelmodells 17; außerdem wird das Ausgangssignal des Verstärkers
16 als Fehlerrückführung auf den Eingang des elektrischen Parallelmodells 17 geführt.
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An den Ausgang des Verstärkers ist schließlich noch eine übliche Ausgangsverstärkerstufe
10 angeschlossen.
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Dieser Beobachter 9 bildet aus dem Ausgangs signal UD der Differenzmeßstufe
11 ein Signal, das praktisch keine Verzögerung mehr enthält, also auch bei einer
raschen Änderung der Temperatur exakt dem Temperaturverlauf entspricht und nicht
mit der oben erwähnten zeitlichen Verzögerung von mehreren Minuten bis zum Erreichen
des neuen Gleichgewichtszustandes behaftet ist.
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Der prinzipielle Aufbau des Beobachters 9 für einen Temperaturfühler
mit zwei Verzögerungsgliedern, beispielsweise dem erwähnten temperaturabhängigen
Widerstand PT 100, ist in Fig. 6 dargestellt. Dabei wird das schematisch angedeutete
Prozeßmodell durch die beiden Meßfühler 1 und 5, die beiden Linearisierungs- und
Eingangsverstärkerstufen 6 und 7 sowie durch die Differenzmeßstufe 11 gebildet.
Ein
Sprung Z/ der Tabaktemperatur führt zu einer Spannung Ue an dem ersten Meßfühler
1. Die beiden in diesem Meßfühler 1 befindlichen, nicht zu vermeidenden Verzögerungsglieder,
nämlich der Wärmestrom über den Teil des Metallrohrs 2 mit dem ersten Temperaturfühler
1 sowie die Zeitkonstante des passiven Teils des Metallrohrs 2, werden durch die
Verzögerungsglieder RzJ1/Cp1 bzw. R/2/Cp2 angedeutet.
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Diese beiden Verzögerungsglieder sind auf die aus Fig.
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6 ersichtliche Weise zusammengeschaltet.
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Das Ausgangssignal des Prozeßmodells ist ein Signal UD, nämlich die
Ausgangsspannung der Differenzmeßstufe 11, die über ein Verknüpfungsglied auf den
Verstärker 16 gegeben wird.
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Außerdem empfängt der Verstärker 16 über das Verknüpfungsglied das
Ausgangssignal des elektrischen Parallelmodells 17, das exakt dem Prozeßmodell 19
nachgebildet ist, also ebenfalls zwei hintereinandergeschaltete Verzögerungsglieder
aus jeweils einem Widerstand R10 bzw. R11 und einem Kondensator C10 bzw. C11 enthält.
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Außerdem wird an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen
R10 und R11 des elektrischen Parallelmodells 19 eine verzögerte Spannung u#1 mit
dem gleichen zeitlichen Verzögerungsverlauf wie das Ausgangssignal der Differenzmeßstufe
11 angelegt. Die Ausgangsspannung des elektrischen Parallelmodells 17 wird an einem
weiteren Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen R10 und R11 abgegriffen
und über das Verknüpfungsglied dem Verstärker 16 zugeführt, dessen Ausgangsspannung
über den Widerstand R10 wieder auf das elektrische Parallelmodell 17 zurückgekoppelt
wird.
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Am Ausgang des Verstärkers 16 tritt also eine Spannung Ua auf, deren
zeitlicher Verlauf praktisch verzögerungsfrei dem zeitlichen Verlauf der Temperatur
des zu untersuchenden Materials, beispielsweise des Tabaks, folgt, wobei auch sprungartige
Änderungen der Temperatur praktisch verzögerungsfrei erfaßt werden.
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In Fig. 6 ist noch zusätzlich die Spannung U p -eingetragen, die mit
einer für die Praxis ausreichenden Näherung dem Meßwert Ua und damit der gerade
vorliegenden Temperatur - der zu messenden Substanz, beispielsweise des Tabaks,
entspricht.
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Durch eine Eichmessung wird der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung
UD der Differenzmeßstufe 11 ermittelt und die Werte der Widerstände R10 bzw. R11
und die Kapazitäten der Kondensatoren C10 bzw. Cli so ausgelegt, daß das elektrische
Parallelmodell einen entsprechenden (gleichen) zeitlichen Verlauf bei einer Änderung
der Eingangswerte hat.
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Selbstverständlich können durch Verwendung weitererVerzögerungsglieder
noch weitere, zusätzliche Wärmeströme in dem jeweils interessierenden Meßfühler
erfaßt und berücksichtigt werden.
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Die Kombination aus Verknüpfungsglied und Verstärker kann durch einen
Differenzverstärker gebildet werden.