DE3031452A1

DE3031452A1 - Schaltungsanordnung zum messen von spitzenwerten eines nicht periodischen vorganges mit geringer wiederholungsfolge

Info

Publication number: DE3031452A1
Application number: DE19803031452
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Paris Raffoux
Original assignee: JAEGER LEVALLOIS PERRET SA
Current assignee: JAEGER LEVALLOIS PERRET SA
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1980-08-20
Publication date: 1981-04-23
Also published as: US4376266A; FR2467407A1

Description

JAEGER, Levallois-Perret, Hauts de Seine, Frankreich

Schaltungsanordnung zum Messen von Spitzenwerten eines nicht periodischen Vorganges mit geringer Wiederholungsfolge

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen von Spitzenwerten eines nicht periodischen Vorganges mit geringer Wiederholungsfolge, bei dem ein variabler Wert zeitabhängig diskontinuierlich und in zeitlich willkürlich voneinander getrennten Stufen abnimmt, wobei die Variable innerhalb der Stufen nicht signifikant abnimmt, sondern einen unterhalb der nächstfolgenden Stufe liegenden Wert aufweist, wobei die Dauer des Intervalls zwischen zwei Stufen gegenüber der Gesamtdauer der Abnahme gering ist, insbesondere die Anwendung einer solchen Schaltungsanordnung als Mittel zur Anzeige des Entladezustandes einer Bleibatterie.

Schaltungsanordnungen zur Messung von Spitzenwerten der genannten Art sind bereits aus den französischen Patentschriften No. 76 27 und No. 22 57 909 bekannt.

Angenommen, eine Spannung nimmt, wie vorstehend beschrieben, von einem Wert ü auf einen Wert U . innerhalb eines nicht zu kurz bemessenen Zeitraumes in η aufeinanderfolgenden Stufen U₁, U^, ... U ab, wobei die Intervalle zwischen den Stufen t gegenüber der Gesamtdauer T kurz sind (etwa 10 Sekunden, d. h. das Verhältnis von T/t ist etwa 5000) und wobei die Spannungswerte wesentlich niedriger werden, selbst bei U . , aber selbst nicht aussagekräftig sind. Aus diesem Grund ist dort die direkte Spannungsmessung, zum Beispiel mittels eines Voltmeters, nicht möglich. Es bestünde zwar die Mög-

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liohkeit, ein integrierendes Voltmeter zu verwenden, womit die Abweichungen der Anzeige kompensiert werden könnten, doch bleibt auch der Meßfehler in diesem Fall ziemlich groß und liegt zwischen 20 bis 50 %. Eine andere Lösung vräre, ein sogenanntes Sample- and Hold-Verfahren anzuwenden, d. h. den Wert einer Stufe im jeweils darauffolgenden Intervall festzuhalten, was jedoch im Hinblick auf die Berücksichtigung der neuen Stufe die Kenntnis einer zweiten Variablen (Stromstärke) voraussetzt.

Ein anderer Lösungsweg besteht darin, den Wert jeder Stufe exakt zu messen und für die Intervalle ein möglichst genaues Bild der Gesetzmäßigkeit zu geben, nach der der zuletzt gemessene Wert bis zur Messung des nächstfolgenden Wertes abnimmt. Ganz allgemein wird der Spannungsabfall gemäß Figur 1 durch eine Gerade d.. wiedergegeben, deren Neigungswinkel c< sich aus folgender Gleichung ergibt:

„ _ h xü _m

T^- T~

wobei χ der gesamte Abfall der Spannung U in Prozent ist und T der gesamte Zeitraum, über den sich die Spannung verringert. Hieraus folgt, daß bei einem Wert von U von einigen Volt und einer Zeit T von einigen Stunden der Wert von ^c sehr klein ist, nämlich einige Mikrovolt pro Sekunde, über analoge Schaltungen ist hier keine Messung möglich, da diese nicht über eine so hohe Zeitkonstante verfügen, so daß nur der Einsatz einer numerisch arbeitenden Anordnung verbleibt, was teuer und aufwendig ist und relativ viel Raum beansprucht.

Will man eine analog arbeitende Schaltung verwenden, so muß diese mit einer geringeren Zeitkonstante arbeiten und muß daher in einem Zeitintervall t einen steileren Spannungsabfall, nämlich gemäß der Geraden d~ zulassen, was bedeutet, daß man in jedem Intervall einen FehlerProzentsatz bei der Anzeige von y einkalkuliert. Der Neigungswinkel der Geraden dp ist also, berücksichtigt man, daß der Neigungswinkel oc während eines Zeitintervalls sehr klein ist,

β = ψ. = IZ|)S. (2)

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Beträgt y beispielsweise 2 % und T/t = 5000, dann ist der Wert von β etwa hundertmal größer als der Viert vonai . Die Zeitkonstante der Analogschaltung, über die diese Spannungsabnahme rückgewonnen werden kann, ist also etwa 10 Millivolt/Sekunde. Eine derartige Schaltung herzustellen ist Ziel der Erfindung.

Ihr liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der eine Gleichspannung mit sich zeitabhängig unterschiedlich änderndem Spannungspegel ständig überwacht werden kann, die zuverlässig ist, wenig Raum beansprucht und kostengünstig her-, stellbar ist, und die sich insbesondere für die überwachung des Lade- und Entladezustandes einer Bleibatterie eignet.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst , daß ein Komparator vorgesehen ist, an dessen positivem Eingang die repräsentative Spannung der zu messenden Variablen anliegt, und an dessen negativem Eingang die Spannung einer Widerstandsanpassungs-Schaltung anliegt, deren Eingangswiderstand hoch und deren Ausgangswiderstand niedrig ist, und an deren Eingang ein Lade- bzw. Entladestromkreis angeschlossen ist, der eine Diode mit geringem Sperrstrom sowie einen zum Ausgang des Komparators in Reihe geschalteten Lastwiderstand aufweist, dem ein aus einem Kondensator und einem Widerstand bestehender Entladekreis parallelgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante RC einen vorgegebenen Wert nach der Formel

_Rr t V

aufweist, wobei U der Anfangswert der zu messenden Spannung ist, V der entsprechende Spannungswert an den Klemmen des Entladestromkeises, χ der Spannungsabfall in Prozent und y der Anzeigefehler für die innerhalb eines Intervalls zwischen zwei Stufen abgegriffenen Meßwerte ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger AusführungsbeispMe näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Spannungsdiagramm der zu messenden Werte,

Figur 2 eine elektronische Schaltung gemäß der Erfindung und

Figur 3 andere Ausführungsformen der Schaltungsanord- und 4 nung.

Am positiven Eingang eines Komparators 1 (Figur 2) liegt die zu messende Spannung U an. Dem Komparator nachgeschaltet ist ein Lade- und Entladekreis, der eine Diode 2 mit geringem Sperrstrom aufweist, die über den Ausgang des Komparators angesteuert wird, ein zur Diode 2 in Reihe geschalteter Lastwiderstand 3, ein Kondensator 4 und ein zu den Kondensatorklemmen paralleler Widerstand 5. Dem Lade- und Entladekreis nachgeschaltet ist eine Widerstandsanpassungs-Schaltung mit hohem Eingangs- und niedrigem Ausgangswiderstand, die aus einem bekannten Feldeffekt-Transistor 7 vom FET-Typ besteht, dessen Eingang G mit der positiven Klemme des Kondensators 4 verbunden ist und dessen Ausgang S über einen- zwischengeschalteten Widerstand 6 mit der negativen Klemme des Komparators 1 verbunden ist. Im Komparator 1 wird die Ausgangsspannung U ständig mit der Ein-

gangsspannung U verglichen. Wird die Spannung U größer als U , e es

d.h. wenn eine Stufe vorliegt, dann erscheint am Ausgang des Komparators eine Spannung, die Diode 2 ist leitend, der Kondensator 4 lädt sich auf bis U = U wird. Die Ausgangsspannung am Komparator wird nunmehr niedriger als die Spannung an den Klemmen des Kondensators 4, die Diode 2 wird gesperrt und der Kondensator 4 entlädt sich über den Widerstand 5. Die Spannung U nimmt nun nach der wei-

ter oben formulierten Gesetzmäßigkeit

^= β (3) ab, bis erneut die Bedingung ü >U besteht, was bedeutet, daß die

β S

nächstfolgende Stufe erreicht ist und sich der Vorgang wiederholt.

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Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Entladung eines Bleiakkumulators, wie er beispielsweise bei Flurfördergeräten verwendet wird, gemessen werden. In einem Bleiakkumulator hängt die elektromotorische Kraft bekanntlich von der Dichte des elektrolytischen Mediums ab und nimmt mit höherer Dichte etwa linear zu, während sie mit ab? nehmender Dichte im gleichen Verhältnis annähernd linear abnimmt. Es genügt also, wenn man die elektromotorische Kraft einer Batterie mißt, um den jeweiligen Entladungszustand zu bestimmen. Um einen vorzeitigen Ausfall aufgrund übermäßigen Verschleißes zu vermeiden, dürfen diese Batterien nie unter 80 % ihrer Nennkapazität entladen werden, woraus sich die Forderung ergibt, den Entladezustand solcher Batterien laufend zu überwachen.

Bei geöffnetem Stromkreis, also ohne Verbraucher, beträgt die Spannung eines ausreichend geladenen Elementes der Batterie = 2,15 V. Beim Entladen, d.h. im Betrieb, entwickelt sich die Spannung zwischen einem etwas niedrigeren Wert und einem Minimum (1,8 bis 1,4 V) oder der "Sperrspannung", die sich danach richtet, wieviel Strom entnommen wird und wie lange der Entladevorgang dauert. Die Entladezeit, an deren Ende die Batteriekapazität nur noch 80 % der Nennkapazität beträgt, liegt im allgemeinen zwischen 5 und 8 Stunden. Nach Ablauf dieser Zeit beträgt die Spannung eines Batterie-Elementes 1,95 V, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist, d. h. es herrscht ein Spannungsabfall von 200 mV, was 10 % der Nennspannung entspricht. Wenn V die Spannung an den Lastausgängen, R der Wert des Widerstandes 5 und C die Kapazität des Kondensators 4 sind, dann ist

V = RC/3 (4)

V = RC |£ υ (5)

Setzt man, wie oben, y = 2 % und χ = 10 %, dann erhält man

RC - I2Ü. _tl - ₅oo _tl ^υ ~ 20 ^ U " U

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Die Zeit t beträgt in diesem Fall einige Sekunden, der Widerstandswert und der Kapazitätswert sollen hoch sein. Jedoch sind nach oben zu aus technologischen Gründen, wie Stabilität, Temperaturverhalten, Feuchtigkeitsverhalten u.a., und hinsichtlich des konstruktiven Volumens Grenzen gesetzt. Man setzt daher beispielsweise an:

R = 100 Mil und C = 5,uf, daraus folgt:

1 .SSL 100.10⁶X 5.10⁶ ± // . ₍₁s

U ~ 500 t " 500 t - t ^ ^u;

Da V nicht den gleichen Wert wie U aufweisen kann, ist an den Klemmen der wertspeichernden Schaltung ein Spannungsteiler vorzusehen, beispielsweise über einen Teil des Lastwiderstandes 6 des Transistors 7. In diesem Fall muß die (spezifische) Polarisationsspannung des dort angewandten Transistors berücksichtigt werden, da die Polarisationsspannung in jedem Transistor eine andere ist. Zwecks besseren Feinabgleiches wird anstelle des Lastwiderstandes 6 (Figur 3) ein Potentiometer 8 verwendet und der Widerstand 5 wird an die positive Klemme des Kondensators 4 und den Zeiger eines nicht dargestellten Potentiometers angeschlossen.

Um eine Einstellung über das Potentiometer entbehrlich zu machen, kann man anstelle des FET-Transistors 7 einen Feldeffekt-Operationsverstärker 9, wie Figur 4 zeigt, verwenden, bei dem die Spannungswerte an Eingang und Ausgang nicht voneinander abweichen, und an dessen negativem Eingang die Verstärkung "1" zurückgeführt ist. In diesem Fall wird der Widerstand 5 über eine aus den Widerständen 10 und 11 bestehende Teilerbrücke angeschlossen. Bei entsprechender Optimierung der Bauelemente können selbst in diesem Fall die Vorgänge gemessen werden, die innerhalb eines Zeitraumes t von einigen Minuten ablaufen. Wenn der Wert von RC gleich bleiben soll, ist die Spannung V zu verringern, wodurch der Entladestrom -^ schwächer wird; folglich sind eine Diode 2 und ein Verstärker 9 mit extrem schwachen Leckströmen zu verwenden, was nach dem jetzt bekannten Stand der Technik ohne weiteres durchführbar ist.

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In allen Fällen kann die Ausgangsspannung U für die Steuerung

eines Voltmeters zu Meßzwecken, einer Warnanzeige oder einer Sperrvorrichtung für bestimmte Arbeitsvorgänge , zum Beispiel Hub bei Hebezeugen, oder auch zur Steuerung mehrerer dieser Einrichtungen gleichzeitig herangezogen werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Schaltungsanordnung zum Messen von Spitzenwerten eines nicht periodischen Vorganges mit geringer V/iederholungsfolge, bei dem ein variabler Wert zeitabhängig diskontinuierlich und in zeitlich willkürlich voneinander getrennten Stufen abnimmt, wobei die Variable innerhalb der Stufen nicht signifikant abnimmt, sondern einen unterhalb der nächstfolgenden Stufe liegenden Wert aufweist, wobei die Dauer des Intervalls zwischen zwei Stufen gegenüber der Gesamtdauer der Abnahme gering ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein Komparator (1) vorgesehen ist, an dessen positivem Eingang die repräsentative Spannung der zu messenden Variablen anliegt, und an dessen negativem Eingang die Spannung einer Widerstandsanpassungs-Schaltung (7) anliegt, deren Eingangswiderstand hoch und deren Ausgangswiderstand niedrig ist, und an deren Eingang ein Lade- bzw. Entladestromkreis angeschlossen ist, der eine Diode (2) mit geringem Sperrstrom sowie einen zum Ausgang des !Comparators (1) in Reihe geschalteten Lastwiderstand (6) aufweist, dem ein aus einem Kondensator (4) und einem Widerstand (5) bestehender Entladekreis parallelgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante RC einen vorgegebenen Wert nach der Formel

RC = -

yx

aufweist, wobei U der Anfangswert der zu messenden Spannung ist, V der entsprechende Spannungswert an den Klemmen des Entladestromkreises, χ der Spannungsabfall in Prozent und y der

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Anzeigefehler für die innerhalb eines Intervalls zwischen zwei Stufen abgegriffenen Meßwerte ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandsanpassungs-Schaltung* (7) aus einem Feldeffekttransistor vom FET-Typ besteht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge k e η η zeichnet , daß die Widerstandsanpassungs-Schaltung (9) ein Feldeffekt-Operationsverstärker ist, an dessen positivem Eingang der Entladekreis angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstand (5) des Entladekreises zwischen der positiven Klemme des Kondensators (4) und dem Zeiger eines Potentiometers angeschlossen ist, das wiederum mit dem Ausgang der Widerstandsanpassungs-Schaltung (7, 9) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (5) des Entladestromkreises zwischen der positiven Klemme des Kondensators (4) und einem aus zwei Widerständen (10, 11) gebildeten Spannungsteiler angeschlossen ist, die am Ausgang der Widerstandsanpassungs-Schaltung (9) in Reihe geschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Vorgang die elektromotorische Kraft eines Bleiakkumulators ist.

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