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Anlage zur zentralen Erfassung von gleichzeitig
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an einer Vielzahl von Meßstellen anfallenden Analogsignalen Die Erfindung
betrifft eine Anlage zur durchgehenden Erfassung ven Analogsignalen mit überdurchschnittlich
großem Dynamikbereich an einer Vielzahl von Meßstellen, insbesondere bei einem chemisch
ablaufenden Prozess mit bei hohem Auflösungsvermögen srflgander, beispielsweise
gaschromatographischer, Meßwertermittlung, die mit Hilfe einer Abfrageeinrichtung
einzeln wahl-;-ise ansteuerbar und mit einer zentralen Auswertestelle verbindbar
sind.
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In einem breiten Bereich der Technik werden beispielsweise zum Zwecke
der Überwachung Meßwerte an räumlich unterschiedlich gelegenden Meßstellen abgefragt
und einer zentralen Auswertestelle einzeln wahlweise, in aller Regel zyklisch aufeinanderfolgend,
zugeführt. Soweit eine solche Meßwerterfassung lediglich der Kontrolle und gegebenenfalls
der Regelung eines Prozesses dient, genügt es vielfach, die analogen Meßwerte nur
für die Zeit abzufrauen, in der die Verbindung zur zentralen Auswertestelle besteht.
Hinsichtlich der Übertragung der Meßwerte von den einzelnen Meßstellen zu der zentralen
Auswertestelle geht man in einfachster Weise derart vor, daß man die analogen Meßwerte
über mebr oder weniger geschützte Leitungen der zentralen Auswertestelle zuführt,
an deren Eingang werden diese Analogsignale digitalisiert, soweit die Auswertung
mit Hilfe eines digital arbeitenden Rechners oder dergleichen geschieht. Die Übertragung
der
analogen Meßsignale unmittelbar über Leitungen zu der zentralen Auswertestelle hat
den Nachteil, daß die Analogsignale durch Störungseinflüsse auf den Leitungen verfälscht
werden.
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Die Länge der Übertragungsstrecken ist bereits aufgrund der auftretenden
Dämpfungen begrenzt. Da sich impulsförmige Signale wesentlich weniger anfällig über
weitere Strecken unkritisch übertragen lassen, hat man bereits die Analogsignale
am Ort der jeweiligen Meßstelle einer Digitalisierung unterzogen und den Digitalwert
dann parallel oder in Serie auf Abfrage der zentralen Auswertestelle zugeführt.
Zwischen den einzelnen Abfragen treten dabei Lücken in der Meßwerterfassung auf,
was unbefriedigend ist, wenn entsprechend schnelle Änderungen der überwachten Funktion
möglich sind.
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Bei anspruchsvolleren Überwachungsaufgaben kommt es darüberhinaus
darauf an, auch "Ausreißer" in der Analogfunktion wahrzunehmen.
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Man ist daher bemüht, die Überwachungszeit zu derjenigen, in der aus
Ubertragungstechnischen Gründen nicht überwacht wird, möglichst groß zu machen.
Letzte Sicherheit wird damit allerdings nicht erreicht.
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Ein besonderes Problem liegt vor, wenn man - beispielsweise um eine
quantitative chromatographische Analyse aus den abgetasteten Analogwerten zu gewinnen
- diese über einen längeren Zeitraum hinweg laufend und vollständig aufsummieren
muß. Hier wächst sich jede kleine Überwachungs- bzw. Erfassungslücke in der Wandlung
vom Analog- zum Oigitalwert zu einem mit wachsender #esamtabfragezeit immer größer
werdenden Fehler aus.
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Es besteht das besondere Problem, die einzelnen Analogfunktionen über
eine bestimmte Betriebszeit hinweg fehlerlos aufsummiert zu erhalten. Geht die Analyse
über das Bedürfnis der Summenbildung hinaus, so läßt sich durch die intervallweise
Abfrage pro Intervall ein repräsentativer Mittelwert zur Analyse des zeitlichen
Kurvenverlaufes schlechthin verwerten, der es erlaubt, beispielsweise Wendepunkte,
Maxima, Minima und dergleichen festzuhalten.
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Bedürfnisse, wie sie zuletzt geschildert wurden, ergeben sich insbesondere
bei Analysengeräten, wie Gaschromatographen, DC-
Spektralfotometern
und dergleichen, bei denen zugleich hohe Dynamikbereiche vergleichbar demjenigen
von ca. 1 : 106 eines Flammenionisationsdetektors auftreten.
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Die bisherigen Anlagen der in Frage stehenden Art weisen einen zu
geringen Dynamikbereich auf, Abhilfe ist nur durch Verwendung umschaltbarer Verstärker
möglich, bei denen es jedoch während des Umschaltens zu Informationsverlusten kommt.
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Weiterhin sind sowohl integrierende als auch nicht integrierende gebräuchliche
Analog-Oigital-Umsetzer mit Totzeiten behaftet, da die während des Auslesens und
Nulisetzens des Umsetzers eingehenden Informationen nicht erfaßt werden können und
verloren gehen. Daraus resultiert nicht nur eine weitere Begrenzung des Dynamikbereiches,
sondern auch eine Verfälschung der Information, die sich vor allem bei geringen
Eingangspegeln des Meßwertes erheblich bemerkbar macht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anlage der eingangs genannten Art
zu schaffen, bei der die Analogsignale über größere Entfernungen hinweg an der zentralen
Auswertestelle lückenlos integriert und möglichst unverfälscht in digitaler Form
wiedergegeben werden können, ohne daß andere als standardisierte, im Handel billig
erhältliche Bauteile erforderlich sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jener Meßstelle
ein Analog-Oigital-Umformer mit einem Spannungsfrequenz-Wandler zugeordnet ist,
dessen Ausgang mit Hilfe einer zentral gesteuerten Schalteinrichtung für eine zentral
- und gegebenenfalls unterschiedlich lang - von der Auswertestelle vorgegebene Zeitdauer
auf den Eingang eines Zählers und zwischen aufeinanderfolgenden Zählzeiträumen auf
den Eingang einer Zwischenspeichereinrichtung schaltbar ist, deren gespeicherte
Information dem zurückgestellten Zähler zugeführt ist, dessen Zählerinformation
am Ausgang parallel für die direkte oder indirekte Übernahme durch die Abfrageeinrichtung
ansteht und dessen Rückstellzeit kleiner als der kürzest mögliche Impulsabstand
der
zu zählenden Frequenzimpulse ist.
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Mit einer solchen, erfindungsgemäß ausgerüsteten Anlage ist es möglich,
die analogen Meßwerte in digitalisierter Form fortlaufend ohne jede Lücke zu erfassen.
Auf diese Weise lassen sich nicht nur Ausreißer einer zu messenden Funktion jederzeit
feststellen, es lassen sich auch die vorstehend geschilderten gewünschen Aufsummierungen
fehlerfrei durchführen. Innerhalb der Abtastspanne läßt sich lückenlos eine Zeitintegration
durchführen, wodurch man Rauscherscheinungen ausschalten und gegebenenfalls die
Abtastfrequenz geringer halten kann. Die hier gewählte Analog-Digital-Umwandlung
mit Hilfe eines Spannungs-Frequenz-Wandlers, der über große Bereiche hinweg sehr
genau und konstant arbeitend ausgebildet werden kann, und eines nachgeschalteten
vielstelligen Zählers für das Meßwert-Frequenz-Signal gestattet ein Auflösungsvermögen
bzw. einen Dynamikbereich, der weit oberhalb dessen liegt, was im Handel preisgünstig
erhältliche Analog-Digital-Wandler bisher zu leisten vermögen.
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Weitere Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und im Zusammenhang damit aus der nachfolgenden Beschreibung
des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispieles. Es zeigen: Fig. 1 das
Blockschaltbild der jeweils einer Meßstelle zugeordneten Schaltung Fig. 2 ein Blockschaltbild
der zentralen Abfrageeinrichtung und Auswertestelles Fig. 3 und 4 Blockschaltbilder
zweier Ausführungen für die Aufbereitung des analogen Meßsignalsj Fig. 5 ein Schaltungsbeispiel
für die Eingangs-Schalteinrichtung und die Zwischenspeichereinrichtung der Meßstellen-Schaltungt
Fig.
o ein Schaltungsbeispiel für Zähler, Parity-Generator und Schieberegister der Meßstellen-Schaltung;
Fi. 7 ein Schaltungsbeispiel für die ZeitUberwachungseinrichtung und Zeitsteuerkette
der Meßstellen-Schaltung, Fig. a ein Schaltungsbeispiel für den Taktgenerator, den
Taktzähler und die Anpassungsschaltung an abgehenden Leitungen der Meßstellen-Schaltung.
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Die Fig. 1 und 2 geben im Rahmen von Blocksohaltbildern - wenn rr#n
sich die Fig. 1 so oft vorhanden denkt wie Meßstellen einrichtet sind - einen Überblick
über die Gesamtanlage. Fig. 2 zeigt als zentrale Auswertestelle 1 einen Prozeßrechner,
der die jeweils von den einzelnen Meßstellen abgerufenen, in Serie über eine Leitung
anfallenden digitalen Meßwerte über ein Schieberegister 2 in Parallel-Ausdruck umgeformt
zugeführt erhält Die insgesamt mit 3 bezeichnete zentrale Abfrageeinrischtung umr~3
drei Blöcke, von denen einer der Auswahl der Empfängerleitung für die Meßwert-Information,
ein weiterer der Auswahl der Empfängerleitungen für den Ausspeichertakt und ein
dritter für die Auswahl der abgehenden Leitung zur Abgabe des Abfrageimpulses an
die ausgewählte Meßstelle dient. Der Prozeßrechner liefert den Abfragetakt und auch
Informationen darüber, welche Meßstelle gerade anzusteuern ist. Dies wird in der
Regel im Sinne-einer Ur:ilaufabfrage geschehen, es können aber auch zeitlich bevorzugte
t'D-.regen eingerichtet werden. Der gespeicherte digitale Meßwert, oer von einem
der Blöcke der Abfrageeinrichtung empfangen wird, unterliegt einer sogenannten Parity-Prüfung.
Es gibt eine Reihe von Verfahren zur Überprüfung der Richtigkeit einer Datenvermittlung.
Im Falle der Parity-Prüfung wird hier das auszuspeichernde '..ort entweder auf eine
gerade Anzahl von 1-Signalen oder von 0-Signalen gebracht. Zu diesem Zweck wird
dem auszuspeichernden digitalen Meßwert gegebenenfalls ein zusätzlicher Impuls beigefügt.
Sollte nicht eine gerade Anzahl von 1-Signalen oder von
0Signale
empfangen werden, so liegt ein Übertragungsfehler vor, der die erneute Abfrage der
Meßstelle zur Folge hat. Bringt auch diese keinen einwandfreien Übertragungserfolg,
so wird Alarm ausgelöst und in irgendeiner Weise darauf aufmerksam gemacht, daß
eine Störung vorliegt. Diese Dinge sind an sich bekannt, auch enthält der zentrale
Teil der Anlage keine besonderen Schaltungsanordnungen, die über das Bekannte hinausgehen.
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Oas Blockschaltbild der Fig. 1 zeigt diejenigen Schaltungsgruppen,
die jeweils einer Meßstelle zugeordnet sind. Das analoge Eingangssignal, das sehr
unterschiedliche Amplitude aufweisen kann, wird zunächst bedarfsweise über einen
Verstärker 4 - gegebenenfalls mit variabler Verstärkung - aufbereitet und über ein
Tiefpaßfilter 5 gegeben, da hier .frequenzen in Frage kommen, die unterhalb der
Nztzfrequonz liegen, so daß Netzfrequenz-Störungen und höherfrequentes Rauschen
ausgeschaltet werden.
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Dzr Ausgang des Tiefpaßfilters 5 und damit das verstärkte und von
Störungsüberlagerurngen insoweit befreite analoge Eingangssignal wird einem Spannungs-Frequenz-Wandler
6 zugeführt, der möglichst linear mit steIgender Spannung eine höhere Frequenz und
umgekehrt mit sinkender Spannung eine niedrigere Frequenz am Ausgang erscheinen
läßt. Die Größe des Analogsignals wird somit in die analoge Größe eines Frequenzsignals
umgewandelt. Der Ausgang des Spannungs-Froquenz-Wandlers 6 kann nach Passieren einer
Potentialtrennstufe 6a von der Frequenz-Überwachungs-Schaltung 7 dahingehend überwacht
werden, ob sich die dem Analogsignal entsprechende Frequenz innerhalb der Grenzen
bewegt, die dem Dynamikbereich der Meßwertermittlung entspricht. Geht die Frequenz
über diese Grenze, die vom nachfolgenden Zähler und dergleichen nicht mehr verarbeitet
werden könnte, hinaus, so wird wiederum ein Alarm ausgelöst. Es ist besonder vorteilhaft,
bereits an der einzelnen Abfragestelle diese Überschreitung der 19eßwertgrenze festzustellen,
da die Überschreitung in der Regel auch mit einer entsprechenden Anomalie des beobachteten
Prozesses einhergeht, und man hat mit der unmittelbaren Feststellung dieser Anomalie
grundsätzlich die Möglichkeit, ein Regel-, Abschalt-oder Alarm-Signal aus der Frequenz.überwachung
7. abzuleiten.
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Das dem Analogwert entsprechende Frequenzsignal wird anschliessend
über eine Eingangs-Schaltungseinrichtung 8 einem Zähler 9 zugeführt, der für bestirnmte,
von dem zentralen Auswerter festgelegte Zeitabschnitte die Frequenz nach der zeitlichen
Aufeinanderfolge der Amplituden des Frequenzsignals zählt. Ist das Ende der Zählperiode
erreicht, so wird die im Zähler insoweit gespeicherte Information parallel in ein
Schieberegister 10 eingegeben. Auf diese Weise läßt sich der Zähler schnell wieder
freischalten für die Aufnahme einer weiteren Zählperiode.
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Damit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zählperioden keine Lükken
in der Erfassung des Meßwertes auftreten, wird zum einen ein Zähler verwendet, der
sich sehr schnell ausspeichern und zurückstellen läßt, und zwar in einer Zeit, die
kleiner ist als der kleinste Zeitabstand zwischen zwei Impulsen des digitalen Meßwertes.
Auf diese Weise kann nicht mehr als ein Amplitudenimpuls dem Zähler während der
Abfrage und Rückstellung verloren gehen.
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Um auch diesen Verlust aufzufangen, ist eine Zwischenspeichereinrichtung
vorgesehen, die für die Zeit an den Ausgang des Spannungs-Frequenz-Wandlers 6 angeschlossen
wird, in welcher der Zähler aufgrund der Ausspeicherung und Rückstellung nicht aufnahmebereit
ist. Zu diesem Zweck ist die Zwischenspeichereinrichtung 11 abhängig vom Schaltzustand
der Eingangs-Schalteinrichtung 8 und einer Steuerschaltung 12, die durch das Abfragesignal
zentral gesteuert wird. Sobald die im Zähler enthaltene Information auf den Abfragebefehl
hin ausgespeichert ist und der Zähler zurückgestellt wurde, wird die in der Zwischenspeichereinrichtung
11 gegebenenfalls anstehende Information von einem Impuls - und es kann maximal
ein Impuls in dieser Zwischenspeicherzeit eingetroffen sein - dem Zähler 9 eingegeben.
Damit wird sichergestellt.
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daß auf gar keinen Fall eine Information im Rahmen der Analog-Oigitalumwandlung
verlorengehen kann. Der insgesamt ermittelte und an die zentrale Auswertestelle
weitergegebene digitalisierte Meßwert ist demnach ein ununterbrochener Spiegel der
fortlaufenden Analogfunktion. Man kann demnach mit dem digitalen Meßwertergebnis
in der Auswertestelle so umgehen, als hätte man die vollständige Analogfunktion
mit allen damit verbundenen Vorteilen der rechnerischen Behandlung, wie Aufsummieren,
Maxima-Minima-Wendepunkt-Feststellung und dergleichen vor sich, Der eigentlichen
Analog-
Funktion überlagerte, hochfrequente Rauschspannungen oder
dergleichen werden größtenteils ausgefiltert, da man über die jeweils vorbestimmte
Zählperiode aufsummiert. Mit positiven und negativen Amplitudenanteilen um den Analogwert
herum schwingende Rauschstörungen werden damit eliminiert.
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Durch ein von der zentralen Abfrageeinrichtung 3 über die Leitung
L 3 kommendes Signal wird die Übergabe der Zählerinformation an das Schieberegister
10 und damit die Zählunterbrechung des Meßwert-Frequenz-Signales eingeleitet. Das
Abfragesignal wird nach Aufbereitung durch eine Leitungsempfängerschaltung 13 und
eine Potential-Trenneinrichtung 14 einer Zeitüberwachungseinrichtung 15 zugeführt,
in welcher festgestellt wird, ob es sich um ein Abfragewiederholungssignal aufgrund
einer negativen Parity-Prüfung handelt oder um einen regulären Abfragebefehl.
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Ist letzteres der Fall, so wird zunächst die Eingangs-Schalteinrichtung
markiert, um die Einschaltung der Zwischenspeichereinrichtung sicherzustellen. Nach
einer gewissen Zeit - es kann in der Eingangs-Schalteinrichtung gerade ,noch ein
Impuls zur Verarbeitung anstehen - wird das Schieberegister für die Aufnahme der
im Zähler eingespeicherten Information bereit gemacht. Nach einer weiteren Verzögerung,
während der die Übernahme der Zählerinformation in das Schieberegister stattfindet,
erhält der Zähler 9 von der Zeitsteuerschaltung 15 ein Rücksetzsignal, mit dem der
Zählerinhalt gelöscht und ein in der Zwischenspeichereinrichtung gegebenenfalls
eingespeicherter Impuls an den Zähler weitergegeben wird. Nach einer weiteren Verzögerungszeit
wird von der Zeitsteuereinrichtung aus die Zwischenspeichereinrichtung gelöscht
und eine Taktgebereinrichtung 16 angelassen, die das Schieberegister veranlaßt,
die vom Zähler übernommene, parallel anliegende Zählerinformation mit bestimmter,
von der Taktgebereinrichtung her erzeugter Taktfrequenz in Serie auszuspeichern.
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Das Serienkodewort wird über eine Potential-Trenneinrichtung 17 und
eine Leitungstreiberschaltung 18 auf eine zweiadrige Leitung L 1 gegeben, die das
Serienkodewort über die zentrale Abfrageeinrichtung 3 dem Schieberegister 2 zuführt.
Von dort gelangt der digitale Meßwert wiederum in Parallelschreibweise umgewandelt
in die zentrale Auswertstelle.
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Die Taktgebereinrichtung 16 gibt zum Zwecke der Synchronisation die
Taktfrequenz zugleich über eine Potential-Trenneinrichtung 19 und eine Leitungstreiberschaltung
20 durch eine zweiadrige Leitung L 2 zu der zentralen Abfrageeinrichtung 3 bzw.
das Schieberegister 2. Der Parallellauf von Taktfrequenz und Takt der in Reihe ausgespeicherten
Zählerinformation hat den Vorteil größtmöglichen Gleichlaufes und ist daher einer
Taktvorgabe durch die zentrale Abfrageeinrichtung überlegen.
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Dem Zähler 9 ist ein Parity-Generator 21 zugeordnet, der die Zähler-Ausgangsinformation
immer auf einen geradzahligen Wert der 1-Stellen bzw. O-SLellen bringt. Die aus
dem Schieberegister 10 seriell über die Leitung L 1 gegebene Meßwert-Oigital-Information
passiert auf ihrem Wege von der zentralen Abfrageeinrichtung 3 zu dem Schieberegister
2 eine Parity-Prüfungs-Einrichtung 22, die für den Fall einer fehlerhaften Übermittlung
veranlaßt, daß über eine Abfragelogik 23 ein erneutes Abfragesignal über die Leitung
L 3 der gleichen Meßstelle zugeführt wird. Da dieses Abfrage-Wiederholungs-Signal
innerhalb einer bestimmten Mindestzeit abgegeben wird, welche die Zeitüberwachungseinrichtung
15 prüft, kann ein solcher Abfragewiederholungsbefehl unmittelbar und ohne erneutes
Auslesen und Rücksetzen des Zählers an die Taktgebereinrichtung 16 weitergegeben
werden, die dann die wiederholte Ausspeicherung der Schieberegister-Information
über die Leitung L 1 mit parallelem Abfragetakt über die Leitung L 2 veranlaßt.
Das Schieberegister ist als Ringzähler aufgebaut, die Information wurde demnach
zugleich mit der Ausspeicherung in das Schieberegister erneut eingespeichert.
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Erst wenn ein weiteres Mal eine Fehlübertragung zu verzeichnen ist,
wird über eine Parity-Alarm-Einrichtung 24 die zentrale Auswertestelle eingeschaltet,
um Alarm zu geben, Abschaltungen vorzunehmen und dergleichen.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei alternative Lösungen für die Eingangsstufe
an jeder Meßstelle. Eine Leitung 25 stellt den eigentlichen Eingang der Analog-Funktion
des Meßwertes dar, die zwischen Signal-Null und der Leitung 25 in Form eines Spannungssignales
anliegt. Dex Analogeingang ist hochohmig und ist an den nicht invertierten Eingar
eines
Operationsverstärkers 26 angeschaltet. Der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers
ist durch verschieden große Gegenkopplungswiderstände in bestimmten Stufungen einstellbar.
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or ebenfalls nicht invertierte Ausgang des Operationsverstärkere 26
ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dem Eingang eines zweipoligen aktiven
Tiefpaßfilters 27 zugeführt, dessen Ausgang auf den Spannungseingang des Spannungs-Frequenz-Wandlers
26 geschaltet ist. Am Ausgang des Wandlers tritt ein Ausgangssignal auf, dessen
Frequenz linear der Höhe der Spannung des analogen Eingangssignales entspricht.
Dieses Ausgangssignal wird über eine Potentialtrennstufe K 4 zur Entkopplung der
Spannungsversorgungen im Analog- und Digitalteil zur weiteren digitalen Verarbeitung
zur Verfügung gestellt Die Potentialtrennung verhindert die Überlagerung von Störspitzen
und Gleichtaktspannungen vor allem auf die Analog-Null-Leitung.
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Oas Ausführungsbeispiel gem. Fig. 4 unterscheidet sich von demjenigen
nach Fig. 3 lediglich dadurch, daß als Tiefpaßschaltung ein aktiver Vierpol-Tiefpaß
29 Verwendung findet. Die Charakteristik dieses Vierpoles übertrifft diejenige des
aktiven Zweipol-Tiefpasses 27 im Beispiel gemäß Fig. 3, im übrigen sind dies käuflich
erwerbbare Elemente, die hinsichtlich ihres Verhaltens bekannt sind.
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Fig. 5 zeigt die Eingangs-Schalteinrichtung 8, die die Zwischenspeichereinrichtung
11 umfaßt. Das Frequenz-Ausgangssignal des Spannungsfrequenz-Wandlers 28 liegt über
die Potentialtrennstufe K 4 am Eingang der Schalteinrichtung 8 über die Leitung
1 1 an.
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Das Frequenzsignal wird mit Hilfe einer Schaltung aus zwei Monoflops
M 3 und M 3' daraufhin untersucht, ob es innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches
liegt. Wird der Frequenzbereich, der den zulässigen Spannungsänderungen der Analog-Funktion
entspricht, verlassen, so kann Alarm oder eine Abschaltung ausgelöst werden
Die
Eingangs-Schalteinrichtung besteht im übrigen aus einem Monoflop M 1 mit einer Verzögerung
von im Rahmen des vorliegenden Beispieles einer Mikrosekunde, was dem kleinstmöglichen
Abstand zwischen zwei abzutastenden Amplituden des Meßwert-Frequenzsignals entspricht.
Am Ausgang des Monoflops M 1 liegt normalerweise 1-Signal an, das Abfallen von 1-
auf 0-Signal zeigt an, daß eine Rückflanke eines Frequenz-Impulses mit einer Verzögerung
von einer Mikrosekunde zu erwarten ist.
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Im Normalfall wird diese Rückflanke als Zählimpuls ausgenutzt und
über Gatter G 1 bis G 4, die in diesem Falle als Differenzierglied arbeiten sowie
eine Impulsformerschaltung in Form eines Monoflops 19 2 mit einer Verzögerung von
50 ns dem Zählereingang zugeTühr'. Wird nämlich der Ausgang des Monoflops M 1 von
O-Signal auf 1-Signal geändert, so wird das Signal einmal unmittelbar dem Eingang
4 des Gatters G 4 zugeführt, dessen Eingang 5 zu diesem Zeitpunkt noch 1-Signal
aufweist und damit zu einem 0Signal am Ausgang von G 4 führt. Erst nach der Signal-Durchlaufzeit
durch die Gatter G 1, G 2, dessen Eingang 13 1-Signal aufweist, und G 3 erreicht
das dreifach invertierte 1-Signal von Monoflop M 1 das Gatter G 4 und sperrt es,
wobei dessen Ausgang wieder auf 1-Signal schaltet. Am Ausgang von G 4 entsteht damit
ein kurzer negativer Impuls mit einer Länge, die der Ourchlautverzögerungszeit durch
die Gatter G 1 bis G 3 entspricht. Die so differenzierten Eingangsimpulse gelangen
somit über das Monoflop M 2 zum Zähler 9.
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Soll die Zählung beendet bzw. das Ende einer Zählperiode von der zentralen
Auswertestelle angegeben werden, so kommt über eine noch zu erläuternde Schaltung
über die Verbindung 1 2 ein 1-Signal an, das auf den einen Eingang eines NAND-Gatters
G 7 aufgegeben wird. Der andere Eingang erhält ebenfalls 1-Signal, wenn ein Frequenzimpuls
unterwegs ist, d.h., wenn am Eingang 5 des Gatters G 4 1-Signal anliegt. Der Ausgang
des Gatters G 7 erhält somit O-Signal, wodurch in der aus einem bistabilen Flip-Flop
aus zwei NAND-Gattern G 8, G 9 bestehenden Zwischenspeichereinrichtung ein Impuls
eingespeichert wird, d. h. der Ausgang 3 des Gatters G 8 nimmt 1-Signal-Zustand
an. Gleichzeitig wird durch den Ausgang des Gatters G 7 das Gatter G 6, das mit
dem Gatter G 5 ein Flip-Flop bildet, umgeschaltet, so daß am Eingang 13 des Gatters
G 2 O-Signal erscheint. Dieses Gatter sperrt also
eine Weitergabe
der Rückflanke des anstehenden, verzögerten Impulses. Dieser Impuls erreicht demnach
nicht mehr den Zähler, er ist dafür aber in der Zwischenspeichereinrichtung 11 festgehalten.
Die Rückflanke des Signals, das nicht mehr zum Zähler durchgelassen wird, setzt
den Flip-Flop aus den Gattern G 5 und G 6 zurück.
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Der Zähler 9 besteht aus 5 Standardzählbausteinen Z 1 bis Z 5 mit
jeweils 4-Bit, wie dies Fig. 6 erkennen läßt. Die Gatter G 10 bis G 12 stellen sicher,
daß die einzelnen binären Zählerstufen einen parallelen Übertrag abgeben Dadurch
wird die Laufzeit im Zähler entsprechend verkürzt. Die Zählimpulse werden allen
5 Zählstufen parallel zugeführt; der Übertrag von der ersten auf die zweite Stufe
erfolgt unmittelbar, der Übertrag auf die dritte Stufe wird über das Gatter G 10
von den ersten beiden Stufen zusammengefaßt und an die dritte Stufe gegeben, der
Übertrag auf die vierte Stufe wird mit Hilfe des NANO-Gatters G 11 aus den Überträgen
der drei vorhergehenden Stufen gewonnen, der Übertrag für die fünfte Stufe schließlich
wird mit Hilfe des Gatters G 12 aus den überträger der vier vorhergehenden Stufen
markiert.
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Die Stell- oder Setzeingänge der einzelnen Zählerstufen-Z 1 bis Z
5 liegen bis auf die erste Stufe Z 5 alle auf 0, die erste Stufe liegt am Ausgang
der Zwischenspeichereinrichtung G 8, G 9.
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Die Ausgänge sämtlicher Zählerstufen sind parallel auf die Eingänge
des Schieberegisters 10 und auf die Eingänge des Parity-Generators 21 geschaltet.
Der Parity-Generator und das Schieberegister bestehen jeweils aus drei Stufen à
8 Bit. Es lassen sich also jeweils zwei der Zählerstufen Z 1 und Z 2 bzw. Z 3 und
Z 4 auf eine Schieberegisterstufe S 1 bzw. S 2 und eine Stufe P 1 bzw. P 2 des Parity-Generators
zusammenfassen, die letzte der fünf Zählerstufen, nämlich Z 5, nutzt entsprechend
eine Registerstufe S 3 und eine Parity-Generatorstufe P 3 nur zur Hälfte aus. Mit
Hilfe des Parity-Generators wird der Signal~
zustand ermittelt
und aufsummiert, um festzustellen, wieviele 1-Signal-markierte Ausgänge der Zähler
gerade insgesamt aufweist.
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Handelt es sich um eine ungerade Zahl, so wird über einen der freien
Ausgänge der einen Parity-Generatorstufe P 3 ein 1-Signal einem freien Eingang des
Schieberegisters zugeführt.
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Die Beendigung der Zählperiode, die Weitergabe der im Zähler parallel
anstehenden Meßwert-Information an das Schieberegister und schließlich die Abfrage
des im Schieberegister enthaltenen digitalisierten Meßwertes geschieht durch zentrale
Steuerung seitens der Abfrageeinrichtung 3 mit Hilfe eines Abfragesignales, das
über eine abgeschirmte Zweidrahtleitung L 3 von der zentralen Abfrageeinrichtung
an die Schaltungsanordnung der jeweils abge-.rauten Meßstelle gegeben wird hierzu
wird auf Fig. 7 3ezug genommen. Die Leitung L 3 ist ar ihrem Ende mit einem Netzwerk
zur Symmetrierung bzw. Anpassung abgeschlossen und an einen Opto-Koppler K 3 angeschlossen,
der für die galvanische Trennung zwischen der Schaltungsanordnung der Meßstelle
und der elektrischen Energieversorgung der Leitung L 3 sorgt. Hierzu wird eine Leuchtdiode
von dem ankommenden Signal erregt, die Lichtstrahlen (infrarot) aktivieren einen
Fototransistor, der daraufhin leitend wird und so als Relais wirkt, d. h. das Signal
wird abgehend mit Hilfe der Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung der Meßstelle
neu nachgebildet. Die Leitung L 3 ist - wie auch die später noch zu erläuternden
Leitungen L 1 und L 2 - Eingangs- und ausgangsseitig in dieser Weise entkoppelt.
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Das Abfragesignal erscheint immer dann, wenn die Zählerinformation
von der zentralen Abfrageeinrichtung angefordert wird. Am Ausgang des Opto-Kopplers
K 3 ist ein Impulsformer in Gestalt eines Mono-Flop M 9 mit einer Verzögerungszeit
von 100 ns angeschlossen. Von dem Monoflop M 9 gelangt das Abfragesignal in einen
Teil der Zeitüberwachungsschaltung 15, in welchem unterschieden wird, ob es sich
um ein normales Abfragesignal oder um ein solches handelt, das bei Parity-Alarm
eine Wiederholung der Ausspeicherung des als
Ringzähler ausgebildeten
Schieberegisters 10 auslösen soll.
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Am Ausgang des Mono-Flops M 9 liegt ein Gatter G 16, dessen Eingang
2 normalerweise 1-Signal aufweist. Erscheint am Ausgang Q des Mono-Flops M 9 ein
1-Signal, d. h. es ist ein Impuls eingelaufen, so ändert sich am Eingang 10 eines
dem Gatter G 16 nachgeschalteten Mono-Flops M 8 der Signalzustand, wodurch dieses
Mono-Flop die ihm eigene Verzögerungszeit von 6 ms beginnen läßt. Der Beginn wird
dabei mit der Rückflanke des eintreffenden Impulses festgelegt, das Monoflop triggert
also auf die Rückflanke hin. Das Signal des Monoflops M 9 wird gleichzeitig den
EinGangen 9 und 4 zweier weiterer Gatter G 14 und G 15 zugeführt, deren andere beiden
Eingänge 10 bzw. 5 an die Ausgänge Q' und Q des Monoflops M 8 angeschlossen sind.
Das Gatter G 14 zeigt an seinem Eingang 10 so lange 1-Signal, bis die Rückflanke
des Eingangssignals des Monoflops M 8 aufgenommen wird. Es wird also am Ausgang
8 des Gatters G 14 ein Impuls erscheinen, der etwa die Länge des am Ausgang 13 des
Monoflops N 9 abgegebenen Impulses aufweist, also etwa 100 ns zuzüglich der Verzögerungszeiten
des Gatters G 16 und des Gatters des Monoflops 19 8. Der vom Gatter G 14 abgegebene
Impuls wird über ein Gatter G 13 negiert und einer Reihe von Monoflops M 4 bis M
7 eingsgeben, die jeweils mit einer bestimmten Verzögerungszeit arbeiten und die
Zeitsteuerschaltung 12 bilden. Gleichzeitig wird mit diesem Impuls unmittelbar die
Eingange-Schalteinrichtung 8 angesteuert, und zwar in Abhängigkeit von dem Vorhandensein
einer Vorderflanke eines bei dem Monoflop M 1 eingegebenen Impulses (Gatter G 7,
Eingang 2).
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Die aus der Kette der Monoflops M 4 bis M 7 gebildete Zeitsteuerschaltung
hat folgende Aufgaben: Ist durch die Eingangs-Schalteinrichtung 6 gerade noch ein
Frequenz-Impuls hindurchgegangen, und zwar die zur Zählung ausgewertet Rückflanke
dieses Impulses, so muß der Zählerinhalt noch um diesen einen Impuls erhöht werden.
Die dazu benötigte Zeit wird durch die aufeinanderfolgenden Monoflops der Zeitsteuerschaltung
zur Verfügung gestellt. Erst der Ausgang des Monoflops M 5 ist nämlich über ein
Gatter G 19 und eine Verbindung
1 3 dem sogenannten Ladeeingang
des Schieberegisters 10 zugeführt, wodurch dieses für die Aufnahme der Zählerinformation
aus dem Zähler bereitgemacht wird. Diese Zählerinformation wird somit um die Verzögerungszeiten
der Monoflops M 4 und M 5 gegenüber dem über die Verbindung 1 2 der Eingangs-Schalteinrichtung
zugeführten Signal entsprechend verzögert parallel in das Schieberegister übernommen.
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Ein Ausgang des Monoflops M 5 - und zwar der negierte Ausgang -ist
auf den Eingang 10 eines weiteren Monoflops M 6 geschaltet, dessen negierter Ausgang
über eine Verbindungsleitung 1 4 auf die Löscheingänge sämtlicher Stufen Z 1 bis
Z 5 des Zählers 9 geschaltet ist und der gleichzeitig dem Eingang eines weiteren
Monoflops 7 7 zugeführt ist. Da das Monoflop M 6 eine Laufzeit von 100 ns zur Verfügung
stellt, kann auf das Ausgangssignal des vorhergehenden Monoflops M 5 hin die Zählerinformation
in das Schieberegister übernommen werden, bevor durch das Ausgangssignal des Monoflops
M E der Zähler gelöscht wird. Der mit dem Ausgang der Zwischenspeichereinrichtung
G 8, G 9 über die Verbindung 1 5 verbundene Setzeingang der niedrig wertigsten Stufe
Z 5 des Zählers erhält je nach Schaltzustand der Zwischenspeichereinrichtung 0-
oder Signal, in welch letzterem Falle dieser Zählerstufe das Signal eingespeichert
wird.
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Das Monoflop M 7 weist ebenfalls eine Laufzeit von 100 ns auf, nach
welcher an seinem negierten Ausgang ein 1-Signal auftritt, das zum einen über eine
Verbindung 1 6 die Zwischenspeichereinrichtung -sofern diese hinsichtlich ihres
Ausganges 3 in den 1-Signalzustand versetzt wurde - in den Ruhestand zurückversetzt
und gleichzeitig die Taktgebereinrichtung 16 für die Serienausspeicherung des Schieberegvisters
10 (Ringzählers) über eine Verbindung 1 7 anläßt, was weiter unten noch näher erläutert
wird.
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Die Verzögerungszeit des Monoflops M 8 der Zeitüberwachung ist mit
6 ms derart bemessen, daß bei ordnungsgemäßer Übertragung der im Ringzähler gespeicherten
Information innerhalb dieses Zeitraumes keine weitere Abfrage durch die zentrale
Auswertestelle bzw. die Abfrageeinrichtung erfolgt. Ergibt dagegen die Parity-Überprüfung
eine fehlerhafte Übertragung der seriell übermittelten Meßwertinfor
mation,
so wird - wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits angesprochen -die Abfrage wiederholt,
d. h. über die entsprechend angesteuerte Abfrageleitung L 3 wird ein weiterer Abfrageimpuls
gegeben, der in jedem Falle innerhalb der Laufzeit des Monoflops M 8 eintrifft.
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Oieses Monoflop befindet sich daher noch im Umschaltzustend, d. h.
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der negierte Ausgang zeigt Signal, während der andere Ausgang 1-Signal
aufweist. Dies führt dazu, daß der durch das llonoflos 19 9 geformte Abfrageimpuls
nicht über das Gatter G 14 wie eben geschildert der Zeitsteuerkette und der Eingangs-Schalteinrichtung
zugeführt wird, er gelangt vielmehr über das Gatter G 15 sogleich auf die Anlaßleitung
1 7 der Taktgebereinrichtung. Die Anlaßleitung 1 7 ist zum Zwecke der Entkopplung
seitens des Ausganges des Monoflops 19 7 einerseits und seitens des Ausganges des
Gatters G 15 andererseits über ein ODER-Gatter erreichbar, das hier mit Hilfe zweier
Entkcpplungsdioden D 2 und D 3 gebildet ist. Nachfolgend wird auf Fçg. 8 verwiesen:
Das über die Anlaßleitung 1 7 in diesen beiden Fällen ankommende Anlaßsignal für
die Taktgebereinrichtung stellt einen aus zwei Stufen T 1 und T 2 bestehendEn Taktzähler
auf seine Höchstzënizehl, nämlich 24. Dadurch erhält der Eingang 5 eines Taktgenerators
in Form eines Gatters G 17 Ein 1-Signal, so daß dieses GattEr 2s Signal an seinem
Ausgang 6 auf 0 ändert. Daraufhin wird ein anderer Eingang des Gatters 17 über ein
RC-Glied verzcgert gesperrt, so daß sich das Potential am Ausgang des Gatters wiederum
ändert und so fort; die Schaltung arbeitet wie ein Multivibrator bzw. als StdL Stop-Oszillator.
Oas Gatter G 17 ist ein Vierfach-NAN0-Gazter, es arbeitet zugleich als Schmitt-Trigger
und dient hier insoweit als Formervorstufe eines eigentlichen Impulsformers in Form
des Gatters G 18, einer nachfolgenden Gatterschaltung gleichen Typs. Solche Gatteranordnungen
- im vorliegenden Fall sogar zusammengefaßt - sind als standardisierte Bauelemente
im Handel gängig. Die Ausgangssignale der Impulsformerschaltung G 18 werden sowohl
dem Taktzähler als auch dem Schieberegister und zugleich einer Übertragungsleitung
L 2 zum zentralen Auswerter zugeführt. Der Taktzähler T 1, T 2 wird im Rhythmus
der Taktimpulse des Taktgenerators von 24 abwärts zählend schrittweise zurückgestellt,
im gleichen Rhythmus werden die drei Stufen S 1 bis S 3 des Schieberegisters fortgeschaltet.
Aufgrund der Ausbildung des Schieberegisters als Ringzähler werden die an seinem
Ausgang auftretenden
Signale am Eingang wieder eingespeichert.
Die insoweit am Ausgang vorbeilaufende Meßwertinformation stellt eine Serieneuflösung
des parallel-gespeicherten digitalen Meßwertes dar, diese Serie wird über eine weitere
Übertragungsleitung L 1 der zentralen Auswertestelle zugeführt. Nach Ablauf der
24-Taktimpulse, den oer Zähler markiert, zeigt der Ringzähler bzw. das Schieberegister
wieder die ursprüngliche Signalkonfiguration.
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Wird somit - wie vorstehend geschildert - eine Wiederholung der Serienausgabe
des im Schieberegister anstehenden digitalen ftleE-wertes aufgrund einer negativ
verlaufenen Parity-Prüfung im Bereich der zentralen Auswertestelle erforderlich,
so wird auf einen erneuten, innerhalb einer bestimmten Zeit eingehenden Abfrageimpuls
hin cas nach wie vor im Schieberegister gespeicherte digitale Meßwert wort erneut
ausgespeichert. Dieser Vorgang kann sich grundsätzlich mehrere Male wiederholen,
soweit dafür Zeit zur Verfügung steht. Grundsätzlich wird man nach einer weiteren
Abfrage mit wiederum negativem Ergebnis des Parity-Vergleichs Alarm auslösen.
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Oen beiden Übertragungsleitungen L 2 und L 1 für den Taklzählimpuls
des Taktgenerators bzw. die im gleichen Rhythmus seriell ausgespeicherte Meßwert-Information
aus dem Schieberegister sind zunächst Treiberschaltungen in Form der Gatter G 21
und G 20 vorgeschaltet. deren Ausgang jeweils auf Opto-Koppler K 2 und K 1 geschaltet
sind. Die Opto-Koppler bewirken eine völlige galvanische Trennung bei der Weitergabe
des Signals, wie dies im Zusammenhang mit der Abfrageleitung L 3 bereits geschildert
wurde.
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Der Ausgang der Opto-Koppler ist jeweils auf eine Impulstreiberschaltung
geführt, die mit einer separaten Spannungsversorgung arbeitet und die insbesondere
die Flankensteilheit des auf die Leitung zu gebenden Signales weiter erhöht, wodurch
sich das Signal besser bzw. über längere Leitungen in der hier zur Verf:igung stehenden
Zeit übertragen läßt. Die Ausgänge dieser Impuls treiberschaltung bestehen aus zwei
in Reihe geschalteten, im Gegen takt betriebenen Transistoren, der Signalzustand
wird also nicht nur beispielsweise nach 0 hin durch einen Transistor abgesenkt,
im entgegengesetzten Fall wird das Signal nach 1 hin durch
den
weiteren Transistor entsprechend schnell angehoben. Die beiden Dioden, die dem Ausgang
zugeordnet sind, dienen der Unterdrückung von Leitungsreflexionen.
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Die Anlage ist ausschließlich mit solchen käuflich erwerbbaren Schaltungselementen
realisiert, die nicht an die hier geschilder e Anlage angepaßt sind und insoweit
standardisierte Bauteile darstellen. Die Gatterschaltungen G 1 bis G 21 sind sämtlich
i'JA,iD-Gatter, die zum Teil nur als Inverter geschaltet sind und zum Teil mehr
als zwei Eingänge aufweisen.
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Dis zentrale Abfrageeinrichtung mit dem Schieberegister für die Umwandlung
der an.#orrmenden Serien-Meßwertworte in Parallel-Meßwertworte sowie die Auswertestelle
beispielsweise in Gestalt eines Prozessrechners sind hier nicht näher hinsichtlich
ihrer schaltungstechnischen Ausgestaltung angegeben. Ihr Aufbau eispricht aber grundsätzlich
demjenigen der entsprechenden Telle an den Meßstellen. Im übrigen handelt es sich
um übliche Schaltungen, die keine Besonderheiten in sich bergen.
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EIne praktische Ausführung der vorstehend geschilderten bevorzutun
An lagenausgestaltung arbeitet mit einem sehr driftarmen Operationsverstärker (ca.
0,2 uV/Grad) als hochohmige Eingangsstufe mit ca. 50 MOhm Eingangswiderstand in
nicht invertierender Schaltung, dessen Verstärkung wahlweise 1, 10 oder 100 betragen
kann. Zur Signalaufbereitung folgt je nach Bedarf ein 2- oder 4-poliger Tiefpaßfilter
mit Butterworth-Charakteristik und einer Grenzfrequenz von 4 Hz. Für einen Dynamik-Bereich
von 1 : 106 is ein Spannungsfraquenzwandler vorgesehen, der die analoge Spannung
von 0 bis 10 V sehr linear in eine dazu proportionale Frequenz von 0 bis 1 MHz umwandelt.
Die Frequenzimpulse werden zur Entkopplung potential-getrennt und in einem schnell
arbeitenden 2G-Bit-Zähler mit parallelem Übertrag für eine von der zentralen Auswertestelle
vorgegebenen Zeit integriert. Ab Eintreffen eines Abfrageimpulses von der zentralen
Auswertestelle und das daraufhin erfolgende Ausspeichern des Zählerinhaltes -ergänzt
auf gerade Parity - parallel in ein 24-Bit-Schieberegister, bis zum abgeschlossenen
Zurücksetzen des Zählers und damit
Neubeginn des nachfolgenden
Zählvorgariges werden maximal 600 ns benötigt. Der gegebenenfalls innerhalb dieses
Zeitraumes auftretendz einzige zu wählende Impuls wird nach Zwischenspeicherung
zu Beginn des erneuten Zählvorganges im ersten Digit des Zählers aufgenonan. Da
kein Impuls verloren geht, ist die Totzeit dieses Analog-Digital-Wandlers gleich
Null. Die übertragung des mit Hilfe von 24 Taktimpulsen aus dem als Ringzähler ausgestalteten
Schieberegister seriell ausgelesenen Meßwert-Digitalwortes an die zentrale Auswertestelle
erfolgt - wie auch die Übertragung der Auslesetaktimpulse zur Auswertestelle und
des Abfrageimpulses von der Auswertestelle -uber eine eingangs- und ausgangsseitig
potential-getrennte Zweidrahtleitung, wodurch auch eine Entkopplung von Störungen
über die Antennenwirkung der Abschirmung der Übertragungsleitung ver-~sieden wird.
Ein negatives Ergebnis der Parity-Prüfung führt zu einer Abfragewiederholung innerhalb
von sechs ms. Über die zentrale Abfrageeinrichtung können von der zentralen Auswertestelle
acht periphere Meßstellen frei adressierbar angewählt werden. Die Integrationszeit
in den einzelnen Zählern der Meßstellen wird von der zentralen Auswertestelle aus
gesteuert. Durch ausschließliche Verwendung von preiswerten TTL-Schaltungen zur
digitalen Verarbeitung und aufgrund des geringen Aufwandes für die Übertragungsleitungen
ergeben sich im Vergleich zu käuflichen Geräten bei höhrer Leistungsfähigkeit günstigere
Gesamtkosten.