DE2123003C3 - Schaltung zum Linearisieren der Kennlinie eines Umformers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Linearisieren der Kennlinie eines Umformers, der eine physikalische Größe in eine Frequenz umformt, mit einem analogen Netzwerk variabler Verstärkung, das bei Ansteuerung mit einem analogen Eingangssignal ein analoges Ausgangssignal abgibt.

Derartige Umformer sind z. B. Dichte- oder Druckumformer.

Es gibt verschiedene bekannte Schaltungen. Das Ausgangssignal kann in eine analoge Spannung umgeformt werden, deren Abhängigkeit von der Eingangsgröße dann durch ein nichtlinearcs Netzwerk linearisiert wird (DT-PS 8 81876). Die Genauigkeit einer derartigen Schaltung ist sehr gering. Es gibt zwar auch sehr genaue, rein digitale Schaltungen, doch sind diese sehr kostspielig. Außerdem sind elektromechanische Vorrichtungen zum Linearisieren von Kennlinien bekannt (US-PS 32 01575), in denen die abhängige Variable des zu linearisierenden Zusammenhangs mittels eines drehbaren Potentiometers in einen Achswinkel umgesetzt wird, und der Zusammenhang zwischen diesem Achswinkel und der unabhängigen Variablen dann mit Hilfe einer Scheibe linearisiert wird, auf der Winkelmarkierungen in nichtlinearem Abstand voneinander angebracht sind, und die zusammen mit dem drehbaren Potentiometer gedreht wird. Ein geeigneter Detektor spricht auf die W^:inkelmarkierungen an, während die Scheibe um einen bestimmten Achswinke! gedreht wird. Das Ausgangssignal des Detektors wird einem Zähler zugeführt, der die Markierungen zählt und ein entsprechen-

Jes digitales Ausgangssignal Hefen. Diese Vorrichtung st wegen ihre? elektromechanischen Aufbaus kompliziert und teuer, und sie arbeitet nichi sehr zuverlässig. Außerdem ist es schwierig, die Scheibe genau zu eichen. Die Vorrichtung ist deshalb wenig geeignet, einen Zusammenhang mit der erforderlichen Auflösung zu linearisieren, bei dem die abhängige Variable aus einer Frequenz besteht, die in dem bei Umformern im allgemeinen vorgegebenen Frequenzbereich liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ι ο verhältnismäßig hohe Genauigkeit mit verhältnismäßig geringem Aufwand und entsprechend niedrigen Kosten zu erreichen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von einer elektronischen Schaltung der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß ein Zähler von einem Oszillator abgegebene Impulse zählt und eine auf das Umformerausgangssignal ansprechende Vorrichtung den Zähler auf einen ersten vorbestimmten Netzwerks mit Rechenverstärkern (auch Operationsverstärker genannt) bevorzugt.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden an Hand von Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellen, näher beschrieben.

Fig. 1 und 2 stellen Schaltungen zur Bildung eines Schaltsignals dar;

Fig. 3 stellt den Verlauf von Signalen dar:

F i g. 4 stellt ein analoges Netzwerk dar:

Fig. 5 und 6 stellen Abwandlungen des Netzwerks nach F i g. 4 dar;

Fig. 7 stellt eine Abwandlung der Schaltungen nach Fig. 1 dar;

Fig. 8 stellt den Verlauf von Signalen dar; F i g. 9 stellt ein anderes analoges Netzwerk dar.

Nach F i g. 1 zählt ein Zähler 10, z. B. ein binärer oder BCD-Zühler, von einem äußerst stabilen Quarz-Oszillator 11 abgegebene Taktimpulse, deren Folge-

Wert beim Auftreten jedes /V-ten Ausgangsimpulses 20 frequenz beispielsweise 10 MHz betragen kann. Ein des Umformers zurücksetzt, wobei N = 1 oder eine Umformer 12 liefert Impulse mit einer Folgefrequenz, andere ganze Zahl ist, daß die elektronische Schaltung
eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Schaltsignals

enthält, das einen von zwei verschiedenen Werten lieh. Die Leitung 14 ist mit einem Rücksetzanschluß des Zählers 10 verbunden, so daß jeder JV-te Umformerimpuls den Zähler auf Null zurücksetzt, was einen

des analogen Netzwerks jedesmal umgeschaltet wird, wenn einer der Schalter geschaltet wird, und die Anordnung so getroffen ist, daß der Mittelwert des anadie sich in Abhängigkeit von der umgeformten veränderlichen Größe ändert, und jeder N-te Impuls wird von einem Frequenzteiler 13 ausgewählt und

annehmen kann und beim Auftreten jedes N-ten Im- 25 erscheint auf einer Leitung 14. N kann gleich 1 sein, pulses von dem einen Wert auf den anderen wechselt In diesem Falle ist der Frequenzteiler 13 nicht erfordernd jedesmal auf den einen Wert zurückkehrt, wenn ' ' " der Zählerstand des Zählers einen zweiten vorbestimmten Wert annimmt, und daß das analoge Netzwerk mehrere Schalter enthält, die durch das Schalt- 30 ersten vorbestimmten Wert darstellt, signal derart gesteuert werden, daß die Verstärkung Zunächst sei der Fall N = 1 betrachtet. Dann wird v, i__ :_j 1 ,__,.. ■ . _der Zähler in Zeitabständen von Γ zurückgesetzt.

wobei T die Periodendauer der Umformerimpulse ist. Wenn 7" gleich T₀ + .1 T ist, wobei T₀ eine Konstante

logen Ausgangssignals eine von der Eingangsgröße 35 ist, wie in den nachfolgend beschriebenen Beispielen. linear abhängige Form des Umformerausgangssignals dann läßt sich das Ende von T₀ nach jedem Rückdarstellt.

Die Art des analogen Netzwerks und die Anordnung der Schalter darin hängt von der Funktion bzw. dem Verlauf der Kennlinie (Ubertragungskennlinie) des Umformers ab, die linearisiert werden soll. Die folgende Beschreibung stellt jedoch sowohl das der Linearisierung zugrunde liegende Prinzip als auch die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Punktionen klar.

Das Schaltsignal bewirkt eine Zeichen-Pause-Modu- 45 Werte von C₀ und mithin von T₀ einstellbar sein, lation (Tastverhältnis-Modulation) des analogen Si- Die Leitungen 14 und 17 sind jeweils mit den Setz-

gnals, und im allgemeinen muß diese Modulation _..---

aus dem Ausgangssignal durch entsprechende Glätsetzen des Zählers auf Null durch einen Vergleicher oder ein Äquivalenz-Tor 16 markieren, der bzw. das jedesmal einen Impuls über eine Leitung 17 abgibt, wenn der Zähler 10 einen Zählwert von C₀ erreicht, wobei C₀ ■ f = T₀ und ί die Periodendauer der Ausgangsimpulse des Oszillators 11 ist. C₀ ist mithin ein zweiter vorbestimmter Wert, und der Vergleicher 16 kann in an sich bekannter Weise auf verschiedene

tung entfernt werden. Eine Glättung kann an Zwischen- und Rücksetzeingängen S und R eines Flipflop 18 verbunden, und^die an den entsprechenden Ausgängen Q und Q erscheinenden Signale sind in

punkten in dem analogen Netzwerk erforderlich sein, 50 F i g. 3 dargestellt. Entweder das eine oder das andere wenn beide komplementäre Formen des Schaltsignals oder beide Signale können als Schaltsignal verwendet

werden, und wenn die EIN-und AUS-Zustände dieser Schalter so zugeordnet sind, wie es in F i g. 3 dargestellt ist (die entgegengesetzte Zuordnung ist ebenfalls

verwendet werden, wie bei den nachfolgend beschriebenen beiden Beispielen. Die Glättungszeitkonstanten sollten so gewählt sein, daß sie möglichst

klein sind und dennoch eine hinreichende Glättung 55 möglich), schaltet das Signal feinen Schalter für die gewährleisten, um eine möglichst hohe Ansprechge- Dauer von T₀ und das Signal Q einen Schalter für die sch windigkeit zu erzielen.
Das analoge Eingangssignal kann ein fester Bezugs

wert sein. In diesem Falle ist das analoge Ausgangssi-Dauer ,1 T der Zeit T ein, so daß das Tastverhältnis der Schalter jeweils T₀,'T und I T/T ist.

Nach F i g. 2 erhält man im wesentlichen die glei-

gnal proportional dem Betrag der umgeformten vu- 60 chen Ergebnisse durch Einstellen des Zählers 10 auf riablen Eingangsgröße. Das Eingangssignal kann " ■ ~ ■■ ..·....

jedoch auch einer zweiten variablen Größe proportional sein, und in diesem Falle ist das Ausgangssignal dem Produkt der beiden variablen Größen proportional.

Das analoge Netzwerk kann ein passives Netzwerk mit einem Verstärkungsfaktor sein, der stets kleiner als 1 ist, doch wird die Verwendung eines aktiven das Komplement van C₀ (den ersten vorbestimmten Wert) und gleichzeitiges Setzen des Flipfiop 18 durch einen Impuls über die Leitung 14. wobei ein Netzwerk 19 zum Voreinstellen von C₀ zwischcngcschaltcl ist. während das Flipflop durch den Ubcrlaufimpuls des Zählers 10 zurückgesetzt wird, wenn er von seinem maximalen Zählwert auf Null (den zweiten vorbestimmten Wert) umgeschaltet wird.

Die mathematische Funktion der Kennlinie von Flüssigkeitsdichte-Frequenz-Umformern lautet bekanntlich wie folgt:

so ändert, daß das Eingangssignal des Verstärkers 30 gleich der Summe von

wobei T die Umformerimpulsperiodendauer und O₀ und T₀ Konstanten des Umformers sind. Diese Funktion läßt sich wie folgt umschreiben:

in Abhängigkeit von einer Bezugseingangsspannung V, die von einer Schaltung 15 erzeugt wird, abgibt. Schalter sind durch ein Symbol in Form eines Kreises mit einem Punkt in der Mitte dargestellt, wobei ein Doppelpfeil den Schalteingang darstellt.

Der Mittelwert des Ausgangssignals eines Schallers 20 (der durch das Schaltsignal mit dem Tastverhältnis .1 T/T gesteuert wird) ist proportional dem Tastverhältnis ,1 T/T und wird einem Verstärker 21 zugeführt, der einen Glättungsrückluhrkondensator 22 und einen ohmschen Rückführzweig aufweist, in dem ein Schalter 23 liegt, der mit dem Tastverhältnis T₀/T gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers ist daher proportional (A T/T): [TJT) = . 1 T(T₀. Dieses Signal wird Verstärkern 24 und 25 zugeführt, von denen der Verstärker 25 einen Rückführkondensator 26 und einen ohmschen Rückführzweig mit einem Schalter 27, der mit dem Tastverhältnis T₀₁ ¹T gesteuert wird, enthält. Das Ausgangssignal des Verstärkers 25 ist proportional (,1 TfT₀)-(TfT₀), und dieses Signal wird zu dem Signal addiert (bzw. diesem überlagert), das dem Testverhältnis I T'/T₀ proportional ist, und zwar mit Hilfe gleicher ohmscher Widerstände 28 und 29 und eines Verstärkers 30, so daß sich das Signal und

ίο ist, wobei

wobei .1 T = T - T₀ ist, wie es bereits erwähnt wurde. F i g. 4 stellt ein analoges Netzwerk dar, das auf die Schaltsignale mit den Tastverhältnissen .1 T/T und TJT dahingehend anspricht, daß sie eine analoge Ausgangsspannung

IT

(1 +k)

ergibt. Dieses Signal kann durch einen Spannung/ Strom-Umformer 31 in einen entsprechenden Strom umgeformt werden, so daß von einer Leitung 32 ein Strom abgenommen werden kann, dessen Abhängigkeit von der Dichte ρ linear bzw. proportional ist.

Die mathematische Funktion für die Ubertragungskennlinie eines bekannten·Gasdichte-Umformers lautet dagegen:

ist. Diese Summe reduziert sich unter Beachtung von AT=T-T₀ auf

wobei T₁ eine weitere Konstante ist. Diese Abhängigkeit läßt sich mit Hilfe der Schaltung nach F i g. 4 auf einfache Weise dadurch linearisieren. daß man die relativen Werte der ohmschen Widerstände 28 und 29 KT₀J

k - 1

Auf diese Weise wurde eine kleine Verschiebung k eingeführt, die leicht dadurch berücksichtigt werden

kann, daß man beispielsweise dem Eingang des Verstärkers 31 einen konstanten Kompensationsstrom zuführt.

Derjenige Teil der Schaltung nach F i g. 4. der sich innerhalb der gestrichelten Linie befindet, ist in den Fig. 5 und 6 durch den Block35 mit der Inschrift »Analoges Netzwerk« dargestellt. Bei der Abwandlung nach F i g. 5 wird das analoge Ausgangssignal in ein Zeichen-Pause-Signal umgeformt, das dann in an sich bekannter Weise zum Multiplizieren eines Signals verwendet werden kann, das von einem Volumendurchflußmesser, ζ. Β. einem Turbinendurchflußmesser. erzeugt wird. Die Multiplikation wird dadurch bewirkt, daß von dem Durchflußmesser erzeugte Impulse einem Tor zugeführt werden, das durch "die über die Leitung 38 abgegebenen Zeichen-Pause-Signale betätigt wird. Die Anzahl der vom Tor durchgelassenen Impulse ist daher abhängig von dem bzw. ein Mal: für das Produkt aus Dichte und Volumendurchfluß und diese Impulse können gezählt oder integrier! werden, um ein digitales oder analoges Maß für der Massendurchfluß zu erhalten.

Der Verstärker 30 wird durch Hinzufügen eine;

Rückführkondensators 36 in einen Integrator umge

wandelt, und das Ausgangssignal dieses Verstärker;

wird einer Schmitt-Triggerschaltung 37 zugeführt, die

dann ausgelöst wird, wenn das Ausgangssignal de;

Integrators hinreichend hoch angestiegen ist. Das Aus

gangssignal der Triggerschaltung, das auf der Lei-

tung38 erscheint, ist das Zeichen-Pause-Signal unc

steuert einen Schalter 39. Wenn die Triggerschaltuni

ausgelöst oder »gesetzt« ist, ist der Schalter 39 einge schallet, d. h. geschlossen, so daß ein Strom aus dci Bezugsquelle 15 über einen veränderbaren ohmscher Widerstand^ in den Verstärker30 fließt und der Ausgangsstrom des Netzwerks 35 kompensiert bzw

ausgleicht. Die Triggerschaltung wird dadurch »zu

rückgesetzt«, so daß ein zyklischer Betrieb erfolg!

Der Widerstands ermöglicht die Einstellung de:

Maßstabsfaktors. Die Schaltung arbeitet unabhängii

vom Wert von V.

Nach F i g. 6 erhält man ein ähnliches Ergebni durch Ersetzen der Bezugsspannungsquelle 15 durcl

einen Durehllußmesscr 41. dor cine dem Volumendurchfluß proportionale Spannung erzeugt. Das Ausgangssignal des Netzwerks 35 ist daher dem Massendurchfluß proportional.

Die Funktion eier Ubertragungskennlinie eines bekannten Druckumformers lautet

P =

⁷I

und wie man sieht, steht Γ jetzt im Nenner. Diese Funktion läßt sich wie folal umschreiben:

wobei jetzt IT = T₀ - T ist.

F i g. 7 stellt eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1 dar, die für den Fall verwendet werden kann, daß T₀ > T. Bei dem Frequenzteiler 13 handelt es sich hier um eine durch zwei dividierende Schaltung, und dem Flipflop 18 ist ein zweites Flipflop 42 parallel geschaltet. Die beiden Flipflops werden durch gegenphasige Ausgangssignale 43 und 44 des Teilers 13 gesetzt, so daß ihre jeweiligen Ausgangssignale den Tastverhältnissen I T/2 T und T₀ 2 T entsprechen, wie es in F i e. 8 daruestelll ist.

F i g. 9 zeigt ein analoges Netzwerk, das diese Signale zum Linearisieren der Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Druck benutzt. Das Ausgangssignal eines Verstärkers 50 ist proportional dem Quotienten I T'2T. und das Ausgangssignal eines Verstärkers 51 ist proportional der Differenz

17"

2 T

Bei entsprechender Bemessung der Widerstände 28 und 29 ist das Ausgangssignal des Verstärkers 30 propoitional dem Ausdruck

IT "IT

+ k)

17

2 f

2 T

der sich hier reduziert zu

Wenn hierbei k ■ T₀ = T₁ ist und geeignete Maß nahmen zur Berücksichtigung der konstanten Ver Schiebung k getroffen sind, ist die Kennlinie des Druck Umformers linear.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltung zum Linearisieren der Kennlinie eines Umformers, der eine physikalische Größe in eine Frequenz umformt, mit einem analogen Netzwerk variabler Verstärkung, das bei Ansteuerung mit einem analogen Eingangssignal ein analoges Ausgangssignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler (10) von einem Oszillator (11) abgegebene Impulse zählt und eine auf das Umformerausgangssignal ansprechende Vorrichtung (13, 14) den Zähler auf einen ersten vorbestimmten Wert beim Aufireffen jedes /V-ten Ausgangsiinpulses des Umformers zurücksetzt, wobei N = 1 oder eine andere ganze Zahl ist, daß die elektronische Schaltung eine Vorrichtung (18) zum Erzeugen eines Schaltsignals enthält, das einen von zwei verschiedenen Werten annehmen kann und beim Auftreten jedes /V-ten Impulses von dem einen Wert auf den anderen wechselt und jedesmal auf den einen Wert zurückkehrt, wenn der Zählerstand des Zählers einen zweiten vorbestimmten Wert annimmt, und daß das analoge Netzwerk (35) mehrere Schalter (20, 23, 27) enthält, die durch das Schaltsignal derart gesteuert werden, daß die Verstärkung des analogen Netzwerks jedesmal umgeschaltet wird, wenn einer der Schalter geschaltet wird, und die Anordnung so getroffen ist, daß der Mittelwert des analogen Ausgangssignals eine von der Eingangsgröße linear abhängige Form des Umformerausgangssignals darstellt.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Komplement des Schaltsignais erzeugt wird und das Schaltsignal und dessen Komplement jeweils verschiedene Schalter (20, 23, 27? in dem analogen Netzwerk steuern.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß N = 2 oder ein Vielfaches davon ist und die Schaltsignalerzeugungsvorrichtung (18, 42) zwei Schaltsignale erzeugt, von denen das eine mit jedem Λ'-ten Impuls auf seinen anderen Wert umgeschaltet wird, während das zweite Schaltsignal mit jedem dazwischenliegenden /V-ten Impuls auf seinen anderen Wert umgeschaltet wird, daß beide Signale jedesmal auf ihren einen Wert zurückkehren, wenn der Zählerstand des Zählers den zweiten vorbestimmten Wert annimmt, und daß die beiden Schaltsignale verschiedene Schalter in dem analogen Netzwerk steuern (F i g. 9).

4. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Netzwerk mindestens einen Zerhackerschalter (20) enthält.

5. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Netzwerk mindestens einen Integrator (21, 22) mit einem Schalter (23) zum Entladen des Integrationskondensators enthält.

6. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Eingangssignal ein fester Bezugswert ist.

7. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6. gekennzeichnet durch Mittel (30, 36. 37, 39) zum Umsetzen des analogen Ausgangssignals in ein Zeichen- Pause-Signal.

8 Elektronische Schaltung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Integrator (30, 36) zum Integrieren des analogen Auseangssignals, eine Triggerschaltung (37), die derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie gesetzt wird, wenn das Ausgangssignal des Integrators einen vorbestimmten Wert erreicht, und einen Schalter (39) umfassen, der derart angeordnet und ausgebildet ist, daß er dem Eingang des Integrators so lange ein dem analogen Ausgangssignal entgegengerichtetes weiteres Signal zuführt, wie die Triggerschaltung gesetzt ist, so daß das Rücksetzen der Triggerschaltung bewirkt wird, und daß dieses weitere Signal aus dem einen festen Bezugswen darstellenden Signal (15) abgeleitet ist.

9. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Eingangssignal einer zweiten veränderlichen Größe proportional ist (F i g. 6).

10. Elektronische Schaltung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer (12) ein Dichte-Umformer und das analoge Eingangssignal von einem Durchflußmesser (41) gebildet ist.

11. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß sie ein von dem Zeichen-Pause-Signal gesteuertes Tor und einen Durchflußmesser aufweist, der dem Tor Impulse mit einer der volumetrischen Durchfiußgeschwindigkeit proportionalen Folgefrequenz zuführt, so daß diese von dem Tor durchgelassen werden. wenn es durch das Zeichen-Pause-Signal aufgetastet ist.