DE4131093A1

DE4131093A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung eines zu einer physikalischen messgroesse proportionalen elektrischen messsignals

Info

Publication number: DE4131093A1
Application number: DE19914131093
Authority: DE
Inventors: Anton Nett
Original assignee: MESS TOP ENGINEERING GES fur
Current assignee: MESS TOP ENGINEERING GES fur
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1993-04-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ge winnung eines zu einer physikalischen Meßgröße proportionalen elektrischen Meßsignals, bei dem ein Meßwertaufnehmer mit einer in Abhängigkeit von der auf ihn einwirkenden Meßgröße veränderlichen Impedanz durch eine Speisespannung erregt und das Meßsignal aus dem von dem Meßwertaufnehmer in Abhängig keit von seiner Impedanz gelieferten Ausgangssignal gebildet wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver fahrens.

Derartige Meßwertaufnehmer werden beispielsweise häufig als Wegaufnehmer zur Messung des Relativabstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen verwendet. Die Beeinflussung der Impedanz des Meßwertaufnehmers in Abhän gigkeit vom Relativabstand kann im Falle einer rein ohmschen Impedanz, die beispielsweise durch ein Potentiometer gebildet ist, beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Relativbewegung der beiden Teile mechanisch auf das verstellbare Glied des Potentiometers übertragen wird. Im Falle einer beispielsweise durch eine Induktivität gebildeten reaktiven Impedanz kann deren Beeinflussung in Abhängigkeit vom Relativabstand da durch erfolgen, daß ein im Feld einer mit einem der beiden beweglichen Teile mechanisch verbundenen Induktionsspule an geordneter ferromagnetischer Kern mit dem anderen der beiden beweglichen Teile mechanisch verbunden ist. Dadurch ändert sich die Lage des ferromagnetischen Kerns gegenüber der Induktionsspule in Abhängigkeit von dem zu messenden Abstand, so daß sich die Induktivität des Meßwertaufnehmers dement sprechend ändert. Insbesondere sind induktive Meßwertaufneh mer durch ihre berührungs- und kontaktlose Arbeitsweise zwar mechanisch sehr robust, bereiten aber in elektrischer Hin sicht bei der Bildung des der physikalischen Meßgröße ent sprechenden Meßsignals erhebliche Schwierigkeiten.

Bei bekannten Schaltungsanordnungen zum Betrieb der artiger Meßwertaufnehmer (Fachbuch "Elektrische Meßtechnik", 4. Auflage, Vieweg-Verlag, 1988, Seite 120-123 und 310-331) wird an den induktiven Meßwertaufnehmer eine sinusförmige Wechselspannung als Speisespannung angelegt. Das Ausgangs signal des Meßwertaufnehmers wird mittels einer Brückenschal tung gehalten, deren einer Zweig die mit der sinusförmigen Wechselspannung beaufschlagte Impedanz enthält und deren anderen Zweig eine Reihenschaltung zweier Abgleichwiderstände bildet. Insbesondere wird dabei im Falle eines induktiven Meßwertaufnehmers der eine Zweig von der mit einem Mitten abgriff versehenen Induktionsspule des Meßwertaufnehmers ge bildet. Das bei einer durch die physikalische Meßgröße hervorgerufenen Änderung der Impedanz in dem einen Zweig ge genüber dem anderen Zweig auftretende Ausgangssignal der Brückenschaltung wird zur Bildung des Meßsignals einer pha senselektiven Gleichrichtung mit anschließender Mittelwert bildung in einem Filter unterzogen. Das solchermaßen gebil dete Meßsignal ist im Idealfall der physikalischen Meßgröße nach Betrag und Richtung proportional.

Dieser Betrieb des Meßwertaufnehmers, insbesondere eines induktiven Meßwertaufnehmers, erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand an Kalibrier- und Abgleicharbeiten, weil eine Kompensation des Nullpunktes und von kapazitiven Stör einflüssen erforderlich ist. Damit einhergehend stellt sich ein hoher Bauteilebedarf und die Möglichkeit von Meßfehlern durch falsche Bedienung ein. Auch können Änderungen der Ein stellungen durch Temperaturschwankungen oder mechanische Be anspruchungen auftreten. Schließlich ist bei einem mehr kanaligen Betrieb eine rein rechnergesteuerte Arbeitsweise nicht möglich, da jeder Kanal der gesamten Anlage von Hand abgeglichen werden muß. Der bekannte Analogbetrieb des Meß wertaufnehmers mit der sinusförmigen Wechselspannung als Speisespannung erweist sich damit in mehrerer Hinsicht als nachteilhaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das weitgehend von Störeinflüssen frei ist, sowie eine Vorrichtung zur Durch führung dieses Verfahrens anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß als Speisespannung eine ge taktete Spannung verwendet wird und das Meßsignal aus in den Taktperioden der Speisespannung abgetasteten werten des Aus gangssignals gebildet wird.

Bei dem im Unterschied zu den im Stande der Technik be kannten analogen Verfahren diskret arbeitenden erfindungsge mäßen Verfahren ist es also möglich, während der Taktperioden der Speisespannung gerade solche diskrete Werte des Ausgangs signals des Meßwertaufnehmers abzutasten, die eine Bildung des Meßsignals unter weitgehendem Ausschluß von Störsignalen erlauben. Insbesondere vermeidet die diskrete Abtastung die bei den bekannten analogen Verfahren mit phasenselektiver Gleichrichtung auftretenden Schwierigkeiten beim Übergang von positiven zu negativen Werten der physikalischen Meßgröße. Vor allem bleibt um den Nullpunkt keine Restspannung mit Phasendrehung bestehen. Auch kann die Lage der Abtastzeit innerhalb der Taktperioden derart gewählt werden, daß die üblicherweise auftretenden Phasenverschiebungen zwischen der Speisespannung und dem Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers keinen nachteiligen Einfluß haben. Das Meßsignal unterliegt somit keinen Verfälschungen durch Störkomponenten.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt, daß die Taktperioden gleich lang sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Speise spannung durch Takten einer zur Gerätemasse des Meßwertauf nehmers symmetrischen Gleichspannung gebildet wird. Hierdurch erfolgt die Erregung des Meßwertaufnehmers derart, daß seine der Zufuhr der Speisespannung dienenden Pole in bezug auf die Gerätemasse mit Potentialwerten gleichen Betrags, aber unter schiedlichen Vorzeichens, beaufschlagt sind. Wegen dieser Art der Erregung sind Fehler durch Symmetrieabweichungen ausge schlossen.

Ein anderer wichtiger Gesichtspunkt besteht darin, daß die Abtastung der Werte des Ausgangssignals jeweils nahe dem Ende der betreffenden Taktperiode erfolgt. Da sich kapazitive bzw. induktive Störungen durch unsymmetrische Belastungen am stärksten zu Beginn jeder Schaltphase der Speisespannung aus wirken, sind derartige nachteilige Einflüsse nahe dem Ende jeder Taktperiode weitgehend abgeklungen. Die Erfassung des Ausgangssignals am Ende der Taktperiode führt also zu einem besonders hohen Maß an Störfreiheit.

Eine besonders wichtige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Speisespannung abwechselnd mit umgekehrter Polarität an den Meßwertaufnehmer angelegt wird und das Meßsignal jeweils aus der Differenz zweier in aufeinanderfolgenden Taktperioden abgetasteter Werte des Ausgangssignals gebildet wird. Wegen dieser Polaritätsumkehr in den aufeinanderfolgenden Taktperioden treten auch die in zwei aufeinanderfolgenden Taktperioden abgetasteten Werte des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers mit entgegengesetzter Polarität auf, so daß durch die Differenzbildung der doppelte Wert des Ausgangssignals erhalten wird. Eine eingestreute Gleichtaktstörspannung ist jedoch den abgetasteten Werten mit gleichbleibender Polarität überlagert, so daß sie bei der Differenzbildung herausfällt und das aus dieser Differenz ge bildete Meßsignal nicht verfälscht.

Wenn die Impedanz durch eine Reaktanz, beispielsweise eine Induktivität, gebildet ist, läßt sich das erfindungsge mäße Verfahren in einer besonders einfachen Variante auch derart ausführen, daß die Speisespannung abwechselnd zwischen einer Einschaltperiode und einer Ausschaltperiode getaktet wird und das Meßsignal jeweils aus in der Ausschaltperiode abgetasteten Werten des Ausgangssignals gebildet wird. Da in den Ausschaltperioden durch die äußere Beschaltung hervorge rufene Störeinflüsse weitgehend abgeklungen sind, lassen sich durch die Abtastung des Ausgangssignals während der Aus schaltperioden weitgehend störungsfreie Werte für die Bildung des Meßsignals gewinnen. Die von der Reaktanz während der Ausschaltphase hervorgerufene Spannung, beispielsweise die von der Induktivität induzierte Spannung, weist den Verlauf einer stetigen Funktion auf, so daß Probleme eines Übergangs von positiven zu negativen Werten der physikalischen Meßgröße nicht auftreten.

Schließlich ist in einer weiteren Ausgestaltung des er findungsgemäßen Verfahrens auch vorgesehen, daß das aus den abgetasteten Werten gebildete Meßsignal geglättet wird. Da die Werte des Ausgangssignals durch die Abtastung diskon tinuierlich erfaßt werden, tritt je nach dem Verhältnis der Trägerfrequenz der Speisespannung zu der Änderungsfrequenz der physikalischen Meßgröße eine mehr oder weniger gering fügige Stufenform des Ausgangssignals auf. Durch die Glättung wird dann ein streng linearer Proportionalitätsverlauf zwi schen dem Meßsignal und der physikalischen Meßgröße erreicht. Außerdem werden dadurch von der Taktung etwa hervorgerufene Schaltspitzen beseitigt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem eine in Abhängigkeit von der auf ihn einwirkenden Meßgröße veränderliche elektrische Impedanz auf weisenden Meßwertaufnehmer, einer Einrichtung zur Erregung des Meßwertaufnehmers mit einer Speisespannung und einer Ein richtung zur Bildung eines der physikalischen Meßgröße pro portionalen elektrischen Meßsignals aus dem von dem Meß wertaufnehmer in Abhängigkeit von seiner Impedanz gelieferten Ausgangssignal zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die die Speisespannung liefernde Einrichtung eine getaktete Gleichspannungsquelle ist und die das Meßsignal liefernde Einrichtung eine Abtast- und Halteschaltungseinrichtung auf weist, durch die das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers in den Taktperioden der getakteten Gleichspannungsquelle erfaßt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also der Meß wertaufnehmer an eine getaktete Gleichspannungsquelle ange schlossen und wird dadurch mit deren Taktfrequenz erregt, wo bei normalerweise das die veränderliche elektrische Impedanz aufweisende Glied des Meßwertaufnehmers in einer Brücken schaltung liegt, an der die getaktete Speisespannung anliegt. Die der Bildung des Meßsignals dienende Erfassung des Aus gangssignals, beispielsweise des Brückenausgangssignals, er folgt in den entsprechenden Taktperioden auf einfache Weise durch eine Abtast- und Halteschaltungseinrichtung. Verfäl schungen des Meßsignals durch Störkomponenten können durch eine geeignete Wahl der zeitdiskreten Abtastung des Ausgangs signals des Meßwertaufnehmers vermieden werden, so daß keine komplizierten Kompensationsmaßnahmen nötig sind. Damit ver mindert sich der Schaltungsaufwand ganz erheblich. Die Bedie nung der Vorrichtung bereitet keinerlei Schwierigkeiten, weil zu Beginn der Messung keine Kalibrierung erforderlich ist. Die Vorrichtung erfordert keine Bedienelemente am Gerät und eignet sich somit hervorragend für eine rechnergestützte Meß werterfassung.

Eine besonders wichtige Ausführungsform der erfindungs gemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Speisespannung von der getakteten Gleichspannungsquelle abwechselnd mit umge kehrter Polarität an den Meßwertaufnehmer angelegt wird, daß die Abtast- und Halteschaltungseinrichtung eine erste und eine zweite Abtast- und Halteschaltung aufweist, deren eine das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers jeweils während des Taktperiode der einen Polarität der Speisespannung und deren andere das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers jeweils wäh rend der darauf folgenden Taktperiode der anderen Polarität der Speisespannung erfaßt, und daß die das Meßsignal liefern de Einrichtung eine Schaltungseinrichtung zur Bildung des Differenz zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zwei ten Abtast- und Halteschaltung aufweist.

Infolge dieser Polaritätsumkehr der Speisespannung nach jeder Taktperiode kehrt sich auch das Ausgangssignal des Meß wertaufnehmers nach jeder Taktperiode um, so daß die beiden Abtast- und Halteschaltungen ebenfalls gegenseitig polari tätsumgekehrte Werte des Ausgangssignals des Meßwertauf nehmers enthalten. Sofern außerdem voraussetzungsgemäß die physikalische Meßgröße im Vergleich zur Taktfrequenz des Speisespannung nur langsam veränderlich ist, sind die Inhalte der beiden Abtast- und Halteschaltungen betragsmäßig zumin dest annähernd gleich. Eine eingestreute Gleichtaktstörspan nung bleibt dagegen von der Polaritätsumkehr unbeeinflußt, so daß diese Störspannung den beiden Werten in den Abtast- und Halteschaltungen mit dem gleichen Vorzeichen überlagert ist. In der die Differenz bildenden Einrichtung wird also der An teil der Gleichtaktstörspannung kompensiert und als Ausgangs signal nur noch der doppelte Wert des störspannungskompen sierten Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers geliefert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Abtast- und Halteschaltungseinrichtung eine der die Differenz bildenden Einrichtung zur Abtastung ihres Ausgangssignals nachgeschaltete weitere Abtast- und Halteschaltung aufweist, deren Abtastzeit jeweils zur Hälfte am Ende der Taktperiode der einen Polarität und am Anfang der Taktperiode der anderen Polarität liegt. Bei dieser Ausge staltung entfällt das Erfordernis einer im Verhältnis zur Veränderlichkeit der Meßgröße und/oder der Gleichtaktstör spannung großen Taktfrequenz. Denn selbst wenn sich bei die ser Ausführungsform die Beträge der in der ersten und der zweiten Abtast- und Halteschaltung festgehaltenen Werte durch die Veränderlichkeit der Meßgröße bzw. der Gleichtaktstör spannung voneinander unterscheiden, wird durch diese Wahl der Abtastzeit in der weiteren Abtast- und Halteschaltung ein Un terschied der Betragswerte in den beiden aufeinanderfolgenden Taktperioden herausgemittelt.

Gemäß einem anderen Gedanken der Erfindung ist im Falle einer Vorrichtung, bei der die Impedanz eine Reaktanz, also beispielsweise eine Induktivität, ist, vorgesehen, daß die Speisespannung von der getakteten Gleichspannungsquelle ab wechselnd ein- und ausgetastet wird und die Abtast- und Hal teschaltung das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers jeweils während der Ausschaltperioden erfaßt. Diese Ausführungsform der Vorrichtung beruht also darauf, daß das von der Reaktanz in der Ausschaltperiode der Speisespannung hervorgerufene Ausgangssignal zur Bildung des Meßsignals abgetastet wird. Da in der Ausschaltperiode die mit der Zuführung der Speisespan nung verbundene Außenbeschaltung von dem Meßwertaufnehmer getrennt ist, können hierdurch hervorgerufene Störungen in den Ausschaltperioden rasch abklingen und gehen dann in die Bildung des Meßsignals nicht ein.

Um eine durch die zeitdiskrete Abtastung hervorgerufene Stufenförmigkeit sowie durch die zeitdiskrete Abtastung be dingte Schaltspitzen des Meßsignals zu vermeiden und einen streng linearen Zusammenhang zwischen dem Meßsignal und der physikalischen Meßgröße herzustellen, ist in einer bevor zugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor gesehen, daß dem das Meßsignal liefernden Ausgang der Vor richtung ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet ist.

Im Rahmen der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die getaktete Gleichspannungsquelle und die Abtast- und Halte schaltungseinrichtung von einem gemeinsamen Taktgenerator synchronisiert sind. Da für den Schalttakt der getakteten Gleichspannungsquelle und für den Abfragetakt der Abtast- und Halteschaltungseinrichtung dieselbe Tastfrequenz erforderlich ist, genügt zur Ansteuerung der einzige gemeinsame Takt generator, wodurch zum einen die Einfachheit des Aufbaus der Vorrichtung und zum anderen ein genauer Gleichlauf gewährlei stet ist.

Ebenso vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, daß der gemeinsame Taktgenerator zur Synchronisation von getak teten Gleichspannungsquellen und Abtast- und Halteschaltungs einrichtungen mehrerer Kanäle dient. Hierdurch läßt sich mit einem einzigen gemeinsamen Taktgenerator eine Meßwerterfas sungsanlage aufbauen, die eine Anzahl von Kanälen mit je einem Meßwertaufnehmer umfaßt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Er findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich einer erfindungswesentlichen Offenbarung aller im Text nicht erwähnten Einzelheiten aus drücklich hingewiesen wird. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung zur Gewinnung eines zu einer physi kalischen Meßgröße proportionalen elektrischen Meßsignals,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Nutzsignals an meh reren Stellen der in Fig. 1 dargestellten Vor richtung,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf eines Störsignals an mehreren Stellen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der erfindungsge mäßen Vorrichtung, und

Fig. 5 den zeitlichen Signalverlauf an mehreren Stel len der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist ein in dem dargestell ten Ausführungsbeispiel ohmscher Meßwertaufnehmer 1 zwei in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände 2, 3 auf, von denen der eine ohmsche Widerstand 2 in seinem Widerstandswert veränder lich ist und die gemeinsam den einen Zweig einer Brücken schaltung 4 bilden. Ein der Einstellung seines veränderlichen Widerstandes dienendes Einstellglied des ohmschen Widerstan des 2 ist in nicht dargestellter Weise mit einem beweglichen Teil, dessen relative Lageänderung gemessen werden soll, be tätigungsmäßig verbunden. In dem dargestellten Ausführungs beispiel ist ferner vorausgesetzt, daß die Widerstandswerte der ohmschen Widerstände 2, 3 im Falle einer mittleren Ein stellung des veränderlichen Widerstandes 2 gleich sind. Dem entsprechend haben auch die Werte der Widerstände 5, 6 den selben Widerstandswert.

Eine getaktete Gleichspannungsquelle 7 erzeugt an ihren Ausgängen 8, 9 symmetrisch zu ihrem mit der Gerätemasse ver bundenen Massenanschluß 10 ein positives Potential +U₀ bzw. ein negatives Potential -U₀. Der in den aufeinanderfolgenden Taktperioden der getakteten Gleichspannungsquelle 7 abwech selnd das Potential +U₀ und -U₀ führende Ausgang 8 ist an den einen Verbindungspunkt 11 und der in diesen Taktperioden je weils das umgekehrte Potential -U₀ bzw. +U₀ führende Ausgang 9 an den anderen Verbindungspunkt 12 der beiden Brückenzweige angeschlossen. Zwischen den beiden Verbindungspunkten 13, 14 der beiden Widerstände 2, 3 bzw. Widerstände 5, 6 wird das Ausgangssignal U₂ des Meßwertaufnehmers abgegriffen und in einem Differenzverstärker 15 auf einen gewünschten Wert U verstärkt.

Das verstärkte Ausgangssignal U₃ wird in einer dem Differenzverstärker 15 nachgeschalteten Abtast- und Halte schaltungseinrichtung 16, wie nachstehend noch näher erläu tert ist, im Takt der Gleichspannungsquelle 7 abgetastet und gehalten. Im einzelnen weist die Abtast- und Halteschaltungs einrichtung 16 eine erste und zweite Abtast- und Halteschal tung 101 bzw. 102 auf, in deren erster 101 das verstärkte Ausgangssignal U₃ jeweils während der Taktperioden der einer Polarität der Speisespannung U₁= 2×U₀abgetastet und je weils für die Dauer zweier aufeinanderfolgender Taktperioden gehalten wird und in deren zweiter 102 das verstärkte Aus gangssignal U₃ während der Taktperioden der entgegengesetzter Polarität der Speisespannung U₁abgetastet und jeweils für die Dauer zweier Taktperioden gehalten wird. Die beiden Hal tespannungen U₄ und U₅ aus der ersten und zweiten Abtast- und Halteschaltung 101 bzw. 102 werden in einem deren Differenz bildenden Subtrahierglied 103 voneinander abgezogen. Die Be schaltung des Subtrahierglieds 103 ist dabei derart vorge nommen, daß sein Ausgangssignal U₆ die Hälfte der Differenz zwischen den Haltespannungen U₄ und U₅ der ersten und zweiten Abtast- und Halteschaltung 101 bzw. 102 beträgt.

Das Ausgangssignal U₆ des Subtrahierglieds 103 wird in einer weiteren Abtast- und Halteschaltung 104 ebenfalls im Takt der Gleichspannungsquelle 7 abgetastet und jeweils bis zum Auftreten des nächsten Abtastimpulses gehalten. Die hier durch gebildete Haltespannung U₇wird sodann in einem der weiteren Abtast- und Halteschaltung 104 nachgeschalteten Tiefpaßfilter 17 geglättet, wobei das an dem Ausgang des Tiefpaßfilters 17 auftretende geglättete Signal U₈ das Meß signal bildet.

Wie aus Fig. 1 weiter hervorgeht, dienen die Takt impulse eines gemeinsamen Taktgenerators 18 sowohl als Ab tastimpulse für die erste, zweite und weitere Abtast- und Halteschaltung 101, 102 und 104 als auch zur Taktung der Gleichspannungsquelle 7 zwischen ihren Perioden entgegenge setzter Polarität. Statt des in Fig. 1 durch eine punktierte Linie 19 angedeuteten einzigen Kanals mit dem Meßwertauf nehmer 1, der zur Lieferung der Speisespannung dienenden ge takteten Gleichspannungsquelle 7 und der die Abtast- und Halteschaltungsanordnung 16 aufweisenden Schaltungsanordnung zur Bildung des Meßsignals U aus dem Ausgangssignal U₂ des Meßwertaufnehmers 1 können auch eine beliebige Anzahl der artiger Kanäle vorgesehen sein und von dem gemeinsamen Takt generator 18 mit den Taktimpulsen versorgt, also synchroni siert, werden. Die zu diesen weiteren Kanälen führenden Taktleitungen sind in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 20 und 21 angedeutet.

Die Signalverläufe der an den in Fig. 1 dargestellten Stellen der Vorrichtung auftretenden Spannungen U₁bis U₈ gehen aus Fig. 2 hervor. In dieser zeigt Fig. 2 (a) die zwi schen den Ausgängen 8, 9 der getakteten Gleichspannungsquelle 7 auftretende und zwischen den Verbindungspunkten 11, 12 der beiden Brückenzweige anliegende Speisespannung. Danach wird in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 die Gleichspannungs quelle 7 mit der von dem Taktgenerator 18 gelieferten Takt frequenz in den aufeinanderfolgenden Taktperioden abwechselnd umgepolt, so daß jeweils während der einen Taktperiode an Verbindungspunkt 11 das Potential +U₀ und am Verbindungspunkt 12 das Potential -U₀ anliegt, während in der jeweils dar auffolgenden Taktperiode die Verbindungspunkte 11, 12 das jeweils polaritätsumgekehrte Potential führen. Die in den Taktperioden anliegende Amplitude der Speisespannung ist kon stant und weist den Wert U₁= 2×U₀ auf.

Gemäß Fig. 2 (b) ist das wegen des mit der zu messenden physikalischen Meßgröße veränderlichen Widerstandswertes des Widerstandes 2 und des dadurch hervorgerufenen unabgegliche nen Zustandes der Brückenschaltung 4 bedingte Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers in aufeinanderfolgenden Taktperioden ebenfalls polaritätsumgekehrt. Im übrigen hängt das Ausgangs signal U₂ von der meßgrößenabhängigen Einstellung des Wider standswertes des Widerstandes R₂ ab, was in Fig. 2 durch eine Änderung dieses Wertes über einen Meßbereich längs der t- Achse dargestellt ist.

Wie ferner aus Fig. 2 (c) und (d) hervorgeht, wird das in dem Differenzverstärker 15 mit einem Verstärkungsfaktor V verstärkte Ausgangssignal U₃ des Meßwertaufnehmers unter der Steuerung durch Abtastimpulse (Fig. 2 (c)) auf einer Taktlei tung 105 in der ersten Abtast- und Halteschaltung 101 jeweils am Ende der Taktperioden der einen Polarität der Speise spannung U₁abgetastet, während auf einer Taktleitung 106 auftretende Taktimpulse gemäß Fig. 2 (d) das Ausgangssignal U₃ jeweils am Ende der Taktperioden umgekehrter Polarität der Speisespannung U₁mit Hilfe der zweiten Abtast- und Halte schaltung 102 abtasten.

Aus den in Fig. 2 (e) und (f) dargestellten Haltespan nungen U₄und U₅der ersten und zweiten Abtast- und Halte schaltung 101 bzw. 102 wird in dem Subtrahierglied 103 die halbe Differenz U₆ gebildet, die gemäß Fig. 2 (g) infolge der zeitdiskreten Abtastung noch mit einer gewissen Stufigkeit versehen ist. Die weitere Abtast- und Halteschaltung 104 reproduziert gemäß Fig. 2 (h) das Ausgangssignal U₆in der Form des Ausgangssignals U₇, während das Tiefpaßfilter 17 die Welligkeit dieses Signals beseitigt und das in Fig. 2 (i) dargestellte Meßsignal U₈liefert, welches mit der zu mes senden physikalischen Meßgröße in einem strengen linearen proportionalen Zusammenhang steht.

Aus diesen anhand von Fig. 2 abgehandelten Signal verläufen ist also ersichtlich, daß im Falle einer zur Takt frequenz langsamen Veränderlichkeit der Meßgröße die Hal tespannungen U₄ und U₅ zwei in der Amplitude gleiche, in der Polarität jedoch entgegengesetzte Versionen des Ausgangs signals des Meßwertaufnehmers darstellen. Durch die Bildung der halben Differenz in dem Subtrahierglied 103 wird also wieder eine Version des Ausgangssignals des Meßwertaufnehmers erhalten, in der jedoch eine den Haltespannungen U₄und U₅ etwa überlagerte Gleichtaktstörspannung nicht mehr auftritt. Denn diese Gleichtaktstörspannung ist den Haltespannungen U₄ und U₅ jeweils mit gleicher Polarität überlagert, so daß sie bei der Differenzbildung in dem Subtrahierglied 103 heraus fällt.

Diese Kompensation der Gleichtaktstörspannung ist dann nicht mehr ohne weiteres gewährleistet, wenn abweichend von der vorherigen Annahme die zeitliche Änderung der physi kalischen Meßgröße und/oder der Gleichtaktstörspannung im Vergleich zur Taktfrequenz nicht mehr klein ist. Denn dann ändern sich während der Haltezeiten der ersten und zweiten Abtast- und Halteschaltung 101 und 102 die Beträge der Ampli tuden, so daß ohne zusätzliche Vorkehrungen trotz der Diffe renzbildung in dem Subtrahierglied 103 in dem Meßsignal U überlagerte Reste der Gleichtaktstörspannung bzw. Schwebe produkte mit der Taktfrequenz übrigbleiben.

Durch die bei der Ausführungsform von Fig. 1 vor gesehene weitere Abtast- und Halteschaltung 104 wird jedoch auch in diesem Fall eine weitgehende Kompensation der Gleich taktstörspannung erreicht. Diese Wirkungsweise der weiterer Abtast- und Halteschaltung 104 ist in Fig. 3 veranschaulicht die bezüglich Fig. 3 (a) bis (i) vollständig der Darstellung von Fig. 2 mit der Maßgabe entspricht, daß in Fig. 3 (b) im Unterschied zu Fig. 2 (b) nicht der Nutzsignalanteil im Aus gangssignal des Meßwertaufnehmers, sondern der darin ent haltene Anteil an Gleichtaktstörspannung dargestellt ist. Da für diesen Anteil die in Fig. 2 (b) ersichtliche Polaritäts umkehr nicht eintritt, ergeben sich für die Haltespannungen U₄ und U₅ gemäß Fig. 3 (e) und 3 (f) ebenfalls polaritäts gleiche Versionen. Allerdings führt die Differenzbildung in dem Subtrahierglied 103 wegen der Amplitudenveränderung wäh rend der Taktperioden gemäß Fig. 3 (g) zu keiner voll ständigen Kompensation, sondern zu einem Reststörsignal vor Rechteckform.

Wie aus Fig. 3 (s) ersichtlich ist, ist die Abtastzeit der weiteren Abtast- und Halteschaltung 104 derart gewählt daß jeweils zur Hälfte dieser Abtastzeit das Ausgangssignal U₆ des Subtrahierglieds 103 während der Taktperiode der einen Polarität und der darauf folgenden Taktperiode der anderer Polarität der Speisespannung abgetastet wird. Hierdurch er folgt in der weiteren Abtast- und Halteschaltung 104 eine Kompensation der unterschiedlichen Betragswerte aus den bei den aufeinanderfolgenden Abtastperioden, wobei natürlich ein Haltekondensator der weiteren Abtast- und Halteschaltung 104 in seiner Ladezeit so groß bemessen ist, daß er nur zum Teil geladen bzw. entladen wird, um die während der vorgesehener Abtastzeit stattfindende Kompensationswirkung erfüllen zu können.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Vor richtung dargestellt. Soweit mit dem Ausführungsbeispiel vor Fig. 1 bis 3 übereinstimmende Teile vorgesehen sind, sind hierfür die gleichen Bezugszeichen verwendet. Alle gegenüber dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bis 3 vorhandenen Abwei chungen in Aufbau und Betriebsweise sind nachstehend erör tert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einer induktiven Meßwertaufnehmer 1, der anstelle der Widerstände 2 und 3 des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 zwei in Reihe geschaltete Induktivitäten 2′, 3′ in dem betreffenden Zweig des Brückenschaltung 4 aufweist. In weiterer Abweichung von dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bis 3 wird im Falle von Fig. 4 die von der getakteten Gleichspannungsquelle 7 gelieferte Speisespannung nicht umgepolt, sondern abwechselnd zwischen einer Einschaltperiode und einer Ausschaltperiode getaktet. Das verstärkte Ausgangssignal U₃ des Differenzverstärkers 15 wird in der eine einzige Abtast- und Halteschaltung auf weisenden Abtast- und Halteschaltungseinrichtung gemäß des näheren Erläuterung von Fig. 5 jeweils am Ende der Ausschalt perioden abgetastet und jeweils für die Dauer zwischen zwei Abtastimpulsen gehalten. Die solchermaßen gebildete Halte spannung U₄ wird sodann unmittelbar dem Tiefpaßfilter 17 zur Bildung des geglätteten Meßsignals U₈ zugeleitet.

Die über den Ausgängen 8, 9 der getakteten Gleich spannungsquelle 7 auftretende und an den Verbindungspunkten 13, 14 der beiden Brückenzweige anliegende Speisespannung ist in Fig. 5 (a) dargestellt. Danach wird in dem dargestellter Ausführungsbeispiel die Gleichspannungsquelle 7 mit der von dem Taktgenerator 18 gelieferten Taktfrequenz zwischen Einschalt- und Ausschaltperioden gleicher Länge geschaltet, so daß während der Einschaltperiode am Verbindungspunkt 11 das Potential +U₀und am Verbindungspunkt 12 das Potential -U₀anliegt, während in der Ausschaltperiode die Verbin dungspunkte 11, 12 das Potential 0 führen. In den Einschalt perioden der Speisespannung wird also der induktive Meßwert aufnehmer 1 erregt. Die in der Einschaltperiode anliegende Amplitude der Speisespannung ist konstant und weist den Wert U₁=2U₀ auf.

Das infolge der Erregung des induktiven Meßwertaufneh mers mittels seiner Speisespannung zwischen den Verbindungs punkten 13, 14 der Brückenschaltung 4 auftretende Ausgangs signal hat im abgeglichenen Zustand der Brückenschaltung 4 den Wert 0. Dem entspricht der Nullwert der auf den Meßwert aufnehmer 1 einwirkenden physikalischen Meßgröße. Sobald sich unter dem Einfluß der physikalischen Meßgröße, beispielsweise durch Verschiebung eines ferromagnetischen Kerns relativ zu den Induktivitäten 2′, 3′, das Verhältnis ihrer Induktivi tätswerte ändert, entsteht ein von 0 verschiedener Wert des Ausgangssignals U₂. Dessen Verlauf ist in Fig. 5 (b) darge stellt. Wie dort angedeutet, entspricht das Ausgangssignal U₂ dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 15 geteilt durch dessen Verstärkungsfaktor V.

Fig. 5 (b) macht deutlich, daß das Ausgangssignal U₂ während der Ausschaltperioden der Speisespannung U₁ in Über einstimmung mit dem rechteckförmigen Ein- und Ausschalt verlauf der Speisespannung U₁ebenfalls rechteckförmig ist. Dagegen bildet in den Einschaltperioden der Speisewechsel spannung U₁die getaktete Gleichspannungsquelle 7 mit ihrer Anschlüssen 8, 9 eine Last für die in dem Meßwertaufnehmer 1 induzierte Spannung, so daß das Ausgangssignal U₂, wie in Fig. 5 (b) deutlich dargestellt, gegenüber der Rechteckform verzerrt ist.

Gemäß Fig. 5 (c), in der der vom Taktgenerator 18 ge lieferte Taktimpulszug dargestellt ist, wird das Ausgangs signal U₂ bzw. das daraus durch Verstärkung gewonnene Signal U₃ jeweils am Ende jeder Ausschaltperiode von der Abtast- und Halteschaltung 16 abgetastet, so daß der Abtastwert von aller durch die äußere Beschaltung des Meßwertaufnehmers 1 hervor gerufenen Verzerrungen frei ist. Da der abgetastete Span nungswert jeweils bis zum Auftreten des nächsten Taktimpulses in der Abtast- und Halteschaltung 16 gehalten wird, hat derer Ausgangssignal U₄ die in Fig. 5 (d) dargestellte Treppenform, wobei die Feinheit der Treppenform durch das Verhältnis zwischen der Änderungsfrequenz der physikalischen Meßgröße und der eine Trägerfrequenz für den Meßwertaufnehmer 1 bil denden Taktfrequenz des Taktgenerators 18 bestimmt ist. An Ausgang des Tiefpaßfilters 17 ist die Treppenstruktur durch die Glättung beseitigt, so daß das endgültige Meßsignal U₈ den in Fig. 5 (e) dargestellten streng linearen Verlauf auf weist.

Somit wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal U₂, das in den Ausschaltphasen in seiner Am plitude zu der auf den induktiven Meßwertaufnehmer 1 einwir kenden physikalischen Meßgröße streng proportional ist, durch die zeitdiskrete Abtastung phasenrichtig demoduliert, und das Meßsignal U₈stellt also eine nach Größe und Vorzeichen richtige Darstellung der physikalischen Meßgröße dar.

Verzeichnis der Bezugszeichen

1 ohmscher Meßwertaufnehmer
2, 3 ohmsche Widerstände
2′, 3′ Induktivitäten
4 Brückenschaltung
5, 6 Widerstände
7 getaktete Gleichspannungsquelle
8, 9 Ausgänge
10 Massenanschluß
11 Verbindungspunkt
12 Verbindungspunkt
13, 14 Verbindungspunkte
15 Differenzverstärker
16 Abtast- und Halteschaltungseinrichtung
17 Tiefpaßfilter
18 Taktgenerator
19 punktierte Linie
20, 21 Taktleitungen
101, 102 erste, zweite Abtast- und Halteschaltung
103 Subtrahierglied
104 weitere Abtast- und Halteschaltung
105, 106 Taktleitung
107 weitere Taktleitung

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung eines zu einer physikali schen Meßgröße proportionalen elektrischen Meßsignals, bei dem ein Meßwertaufnehmer mit einer in Abhängigkeit von der auf ihn einwirkenden Meßgröße veränderlichen Impedanz durch eine Speisespannung erregt und das Meßsignal aus dem von dem Meßwertaufnehmer in Abhängigkeit von seiner Impedanz gelie ferten Ausgangssignal gebildet wird, dadurch gekennzeichnet daß als Speisespannung eine getaktete Spannung verwendet wird und das Meßsignal aus in den Taktperioden der Speise spannung abgetasteten Werten des Ausgangssignals gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Taktperioden gleich lang sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Speisespannung durch Takten einer zur Gerä temasse des Meßwertaufnehmers symmetrischen Gleichspannung gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Werte des Ausgangs signals jeweils nahe dem Ende der betreffenden Taktperiode erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung abwechselnd mit umge kehrter Polarität an den Meßwertaufnehmer angelegt wird und das Meßsignal jeweils aus der Differenz zweier in aufein anderfolgenden Taktperioden abgetasteter Werte des Ausgangs signals gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei den die Impedanz eine Reaktanz ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung abwechselnd zwischen einer Einschalt periode und einer Ausschaltperiode getaktet wird und das Meßsignal jeweils aus in der Ausschaltperiode abgetasteten Werten des Ausgangssignals gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den abgetasteten Werten gebildete Meßsignal geglättet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem eine in Abhängigkeit von der auf ihn einwirkenden Meßgröße veränderliche elektri sche Impedanz aufweisenden Meßwertaufnehmer, einer Einrich tung zur Erregung des Meßwertaufnehmers mit einer Speise spannung und einer Einrichtung zur Bildung eines der physi kalischen Meßgröße proportionalen elektrischen Meßsignals aus dem von dem Meßwertaufnehmer in Abhängigkeit von seiner Impedanz gelieferten Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß die die Speisespannung (U₁) liefernde Einrichtung eine getaktete Gleichspannungsquelle (7) ist und die das Meßsignal (U₆) liefernde Einrichtung eine Abtast- und Halteschaltungs einrichtung (16) aufweist, durch die das Ausgangssignal (U₂) des Meßwertaufnehmers (1) in den Taktperioden der getakteten Gleichspannungsquelle (7) erfaßt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die die Speisespannung (U₁) liefernden Ausgänge (8,9) der getakteten Gleichspannungsquelle (7) zur Gerätemasse symme tisch sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abtastzeit der Abtast- und Halteschaltungs einrichtung (16) jeweils nahe dem Ende der Taktperioden liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung von der ge takteten Gleichspannungsquelle abwechselnd mit umgekehrter Polarität an den Meßwertaufnehmer angelegt wird, daß die Ab tast- und Halteschaltungseinrichtung eine erste und eine zweite Abtast- und Halteschaltung aufweist, deren eine das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers jeweils während der Taktperiode der einen Polarität der Speisespannung und deren andere das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers jeweils wäh rend der darauf folgenden Taktperiode der anderen Polarität der Speisespannung erfaßt, und daß die das Meßsignal liefern de Einrichtung eine Schaltungseinrichtung zur Bildung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zwei ten Abtast- und Halteschaltung aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die Abtast- und Halteschaltungseinrichtung eine der die Differenz bildenden Einrichtung zur Abtastung ihres Aus gangssignals nachgeschaltete weitere Abtast- und Halte schaltung aufweist, deren Abtastzeit jeweils zur Hälfte am Ende der Taktperiode der einen Polarität und am Anfang der Taktperiode der anderen Polarität liegt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Impedanz eine Reaktanz ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung von der getakteten Gleichspannungs quelle abwechselnd ein- und ausgetastet wird und die Abtast- und Halteschaltung das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmer jeweils während der Ausschaltperioden erfaßt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem das Meßsignal liefernden Aus gang der Vorrichtung ein Tiefpaßfilter (17) vorgeschaltet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die getaktete Gleichspannungs quelle (7) und die Abtast- und Halteschaltungseinrichtung (16) von einem gemeinsamen Taktgenerator (18) synchronisiert sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß der gemeinsame Taktgenerator (18) zur Synchronisa tion von getakteten Gleichspannungsquellen und Abtast- und Halteschaltungseinrichtungen mehrerer Kanäle (19) dient.