DE2725618C3

DE2725618C3 - Vorrichtung zur Messung des Integrals einer zeitabhängigen physikalischen Größe

Info

Publication number: DE2725618C3
Application number: DE19772725618
Authority: DE
Inventors: Niels Engell Augustenborg Andersen (Daenemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-06-07
Filing date: 1977-06-07
Publication date: 1980-07-24
Also published as: DK246378A; DE2725618B2; DE2725618A1

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schwcllwcrtspannung (U») etwa halb so groß ist wie die erste (Ih)-

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Kippschaltung ein Flip-Flop (10) und eine nachgcschaltclc Umkehrstufe (II) umfaßt und daß der Schalter einen mit seiner Kollcktor-Emittcr-Strcckc parallel zum Kondensator (C) und mit seiner Hasis an den Ausgang des Flip-Flops (10) geschalteten Transistor (T I) sowie eine Diode (D)aufweist, die mit der einen Belegung des Kondensators (C) und mit dem Ausgang der Umkehrstufe (II) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (I, 18« 24) einen Schaltkreis (18) zur Kompensation eines von der physikalischen Größe unabhängigen Glcichaiitcils im Meßstrom enthält.

¹J. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ziihlschaltung (15, 16) Teilerschaltungen (12, 13) vorgcordiict sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs I-

Bei einer bekannten Mcßvorrichiung dieser Art (DE-OS 24 05 567) wird der Meßstrom in eine proportionale Spannung umgesetzt und einem Miller-Integrator zugeführt, also einem Verstärker, dessen Ausgang über den Kondensator mit dem einen Eingang verbunden ist Dem Integraiorausgang ist ein Schmitt-Trigger nachgeschaliet, dessen Ausgangssignale einerseits einen zwecks Entladung parallel zum Kondensator geschalteten Feldeffekttransistor und andererseits einen mit einem Relais der Zählschaltung in Reihe liegenden Transistor ansteuert. Die Schwellwerte des Schmitt-Triggers sind so bemessen, da3 der

'⁵ Kondensator nach jeder Aufladung im wesentlichen vollständig entladen wird. Wegen der Endlichkeit des Verstärkungsfaktors des Verstärkers im Miller-Integrator und der verhältnismäßig langen Entladezcit ist die Proportionalität zwischen dem Mcßstrom und der

Μ Frequenz der der Zählschaltung zugeführten Impulse schlecht.

Bei einer anderen bekannten Meßvorrichtung mit Miller-Integrator (»automatik« Mai 1972. Seiten 136 bis 142) wird die Ausgangsspannung des Integrators in

^2S einem Null-Indikator lediglich mit einer oberen Schwellwerispannung verglichen. Die Entladezeit wird durch einen monostabi'an Multivibrator bestimmt. Bei einer anderen Variante wird die F.ingangsspannung mittels eines Ladestromverstärkers in einen Strom umgewandelt und der Integrator besteht lediglich aus einem Kondensator, welcher direkt von dem Strom des Ladestrom Verstärkers aufladbar ist.

Es ist ferner bekannt (Siemens-Prospekt »Glcichslromintcgrator«), den Flüssigkeitsdurchfluß durch eine

^J!> Flüssigkeitsleitung zu messen, in ein .Stromsignal umzusetzen, dieses in eine proportionale Impulsfolge umzuwandeln und die Impulse in einem elektromechanischen Impulszähler zu zählen. Dieser Impulszähler zeigt dann das jeweils durch die Lclung geflossene Volumen an. Dem Slromsignal kann dauernd ein konstanter Ruhestrom überlagert sein. Derartige Meßvorrichtungen sind verhältnismäßig aufwendig und daher teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

^4r> Mcßvorrichiung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sich eine möglichst gute Proportionalität zwischen dem Mcßstrom und der Frequenz der der Zählschallung zugeführten Impulse ergibt.

Diese Aufgabe wird crfindungsgcmäß durch die im

^r>° Kennzeichen des Anspruchs I genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Untcransprüchc.

Bei dieser Vorrichtung wird der Kondensator vom Mcßslrom aufgeladen, bis der obere Grenzwert der Kondcnsatorspannung erreicht ist, und anschließend über die Schaltsireckc entladen, bis der untere Grenzwert der Kondcnsatorspannung erreicht isl. Die Ladezeit hängt linear mit dem Mcßstrom zusammen; sie bestimmt den Impulsabstand und damit die Impulsfrcqticnz. Die Eniladezcil ist in allen Fällen konstant und wird dadurch ausreichend klein gehalten, daß lediglich eine Tcilentladung des Kondensators im steilen Abschnitt seiner Enlladekcnnlinic erfolgt. Infolge dessen wird die Proportionalität zwischen Mcßslrom

^ und Impulsfrequenz nicht störend bccinflußi. Da der Mcßslrom ein eingeprägter Strom isl, kann er dem Kondensator direkt /(!geführt werden. Kondensator. Kippglieder und Schultslrcckc sind sehr einfache

Bauelemente, so daß der erforderliche Aufwand gering ist.

Gemäß Anspmeh 3 erfolgt eine besonders rasche reilenilatlung des Kondensators, ohne daß die beiden Schaltstrecken des Schalters überlastet werden.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 ist es möglich, auch einen Meßstrom auszuwerten, dem ein Gleiehantei! überlagert ist.

Die Merkmale des Anspruchs 5 erlauben es, ein«n verhältnismäßig kleinen und daher preiswerten Kondensator zu verwenden, der mit einer verhältnismäßig großen Frequenz arbeitet. Mittels der Dekadenteiler wird diese Frequenz so weit herabgesetzt, daß sie bequem ausgewertet werden kann, zum Beispiel mit Hilfe eines elektromechanischen Inipulszählers. Trotz der großen Frequenz bleibt aber die Proportionalität mit dem Meßstrom erhalten.

Bekannt sind auch integrierte Schaltungen, bei denen zwei Komperatorcn, ein Flip-Flop und ein Transistor und gegebenenfalls noch weitere Bestandteile zusammengefaßt sind (Druckschrift XR-2556 Dual Timing Circuit der Firma Exar Integrated System·;).

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung des Integrals,

Fig.2 den Eingangsteil einer abgewandelten Vorrichtung,

F i g. 3 den Spannungsvcrlaiif am Kondensator und

Fig.4 den Spannungsvcrkiuf am Ausgang der Umkehrstufe.

Bei der Ausführungsform der F i g. 1 ist eine Meßvorrichtung 1 vorgesehen, welche den Durchfluß durch eine Flüssigkeitsleitung 2 mißt. Die Mcßvorrichtung gibt über die Signalleitungcn 3 und 4 einen Meßstrom /1 ab, der, unabhängig von den Widcrstandsvcrhälinisscn in diesen Signallcitungen. dem gemessenen Durchfluß annähernd proportional ist. Ein Kondensator Cwird von diesem Meßslrom / I aufgeladen.

Die Entladung des Kondensators Cerfolgt über zwei Schaltstrcckcn. Die eine Schaltstrecke ist durch einen Transistor TX vorgegeben, die andere Schaltstrcckc durch eine Diode D, die mit einem Widerstand R I in Reihe liegt. Beide Schaltsli ecken werden auf die nachstehend beschriebene Weise gesteuert. Die Spannung am Kondensator U₁. wird einem Eingang eines ersten Komparalors 5 und eines zweiten Komparator 6 zugeführt. Der zweite Eingang des Komparators 5 liegt am Abgriff 7, und der zweite Eingang des Komparators 6 am Abgriff 8 eines Spannungsteilers 9, der aus den Widerständet: R 2, Ri und R 4 besteht und mit einer festen Spannung Ub gespeist wird. Der Komparator 5 gibt an den Setzeingang eines Flip-Flops 10 ein Ausgangssignal ab, wenn die Kondensatorspannung (/, eine erste Schwellweitspannung Ui am Abgriff 7 überschreitet. Der Komparator 6 gibt an den Rücksctzcingang des Flip-Flops 10 ein Ausgangssignal ab. wenn die Kondensalorspannung U₁ eine gegenüber der ersten Schwcllwertspannung Ui kleinere zweite Schwcllwcrtspannung Ik am Abgriff 8 unterschreite!. Die Ausgangsspannung Um des Flip-Flops 10 steuert einerseits den Transistor Tl und andererseits eine Umkehrstufe 11, deren Ausgangsspannung /Ai eine anschließend weiter ausgewertete Impulsfolge bildet.

Dies führt zu der in Verbindung mit den F i g. 3 und 4 beschriebenen Funktion. Her Meßslrom /Ί lädt den Kondensator C vom Zeitpunkt /| bis /um Zeitpunkt h auf. Dann wird die erste Sehwellwertspnnnung lh überschritten. Das Flip-Flop IO wird gesetzt, die Spannung U^ nimmt den logischen Wert I an.
Der Transistor TI wird leitend. Gleichzeitig wird die Atisgangsspannung Uw auf Null abgesenkt und die Diode D wird ebenfalls leitend. Beides führt zu einer raschen Entladung des Kondensators C. Zum Zeitpunkt Ii wird die zweite Schwellwertspannung U* unterschritten. Das Flip-Flop IO wird zurückgestellt. Der

in Transistor Ti sperrt ebenso wie die Diode P. Der Vorgang wiederholt sich.

Die in Fig.4 dargestellte Ausgangsspannung Un wird einem ersten Teiler 12 zugeführt, die die Frequenz beispielsweise durch 100 teilt. Es folgen mehrers

υ programmierbare Dekadenteiler 13,13', mit deren Hilfe die Frequenz erneut, diesmal aber um einen wählbaren Faktor, der beispielsweise zwischen 10² und 10^h liegt, herabgesetzt wird. Der Ausgang des letzten Teilers wird einem monostabilen Multivibrator 14 zugeführt, der

ja eine Impulsanpassung bewirkt, so daß ein nachgeschalteter externer Zähler 15 und ein intern." Zähler 16, die elektromechanisch arbeiten, sicher betätigt werden können. Der Transistor Ti, die Komperatoren 5 und 6, der Flipflop 10 und die Umkehrstufe 11 sowie der

2^r. Spannungsteiler 9 sind Teile einer integrierten Schaltung 17, "sie sie handelsüblich ist. Auch die übrigen Bauelemente sind handelsüblich und insgesamt ergibt sich daher eine sehr einfache, billige Schaltung.

Bei einem Ausführungsbeispiel betrug die feste

ii) Spannung Lk= 15 V, die erste Schwellwertspannung Uj= 10 V und die zweite Schwcllwcrtspannung Ug = 5 V. Bei einem Meßslrom /ι von 25 μ bis 2,5 niA ergab sich eine Impulsfrequenz der Spannung U_u zwischen etwa 10 Hz und I0¹ I Iz.

r> In Fig. 2 ist eine Alternalivlösiing veranschaulicht, bei der über die Signalleiiungen 3 und 4 ein Signalstroni /2 zugeführt wird, der sich aus einem konstanten Anieil (Ruhestrom) und einem zur physikalischen Größe etwa proportionalen Anteil zusammensetzt. Dieser Sigsial-

i" strom kann nicht direkt integriert werden, weil sonst wegen des Ruhestroms ein erheblicher Integrationsfchler auftreten würde. Zu diesem Zweck ist zunächst eine Kompensationsschaltung mit einer Subtrakiionsschallung 18 vorgesehen. Letztere weist einen MeU-

f' widerstand R 5 auf, über den der Signalstrom /> geleitet wird, und einen Spannungsteiler 19, bestehend aus den Widerständen /?6 und RT, der einerseits an der festen Spannung L^und andererseits an einer Bezugsspannung Um liegt. Die am Meßwiderstand RS und am

Vt Widerstand R 6 auftretenden Spannungsabfällc werden mittels eines Spannungsverstärker 21, der durch einen ohmischen Widerstand RS überbrückt ist, subtrahiert. In Reihe mit dem Spannungsteiler liegt noch ein Schalte, 22, mit dessen Hilfe die Subtraktionssehaltung

^γ>ί 18 unwirksam gemacht werden kann. Am Ausgang des Verstärkers tritt demnach eine Spannung U₂-, auf, die dem proportionalen Anteil des Signalstronis /2 proportional ist. Dieser Wert kann mittels eines Spannungsmessers 23 angeztist werden, der beispielsweise den

w Durchfluß durch die Leitung 2 anzeigt.

Die Ausgangsspannung Ua wird einem Stromgenerator 24 zugeführt, der einen Operation:.verstiirk«;r 25 und zwei Transistoren Γ2 und Ti in Darlingtonschaltung aufweist. Mit der Kollekior-Emitter-Strccke des

fc'' Transistors Ti liegl ein Widerstand /?9 und der Kondensator ("in Reihe. Durch eine Rückführung 26 ist sichergestellt, daß der über den Widerstand R 9 fließende und daher den Kondensator C aufladende

Meßstrom i\ proportional der Ausgangsspanniing /'..| des Spannungsverstärker* 21 ist. Der Kondensator C entspricht demjenigen der F'ig. I. Von der nachfolgenden Schaltung ist lediglich noch der Transistor TI veranschaulicht.

Hierzu ] Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

U Vorrichtung zur Messung des Integrals einer zeitabhängigen physikalische?! Größe, insbesondere des Ausgangssignals eines Durchflußmessers, mit

a) einem Wandler zur Erzeugung eines von der physikalischen Größe linear abhängigen Meßstroms,

b) einem Integrator, der einen in Abhängigkeit vom Meßstrom au !ladbaren Kondensator umfaß i,

c) einem Schalter zum Kurzschließen des Kondensators,

d) einer bistabilen Kippschaltung zum Schließen des Schalters bei Überschreitung einer ersten Schwcllwcrtspannung durch die Ausgangsspannung des Integrators und zum Offnen des Schalters «ei Untcrschrciiung einer zweiten niedrigeren Schwellwerispannung durch die Ausgangsspannung des Integrators.

c) einer Zählschaltung zum Zählen der von der

Kippschaltung erzeugten Impulse,
dadurch gekennzeichnet, daß

f) der Integrator lediglich aus dem Kondensator (C) besteht, weicher derart an den Ausgang des Wandlers (1; 1,18,24) angeschlossen ist. daß er direkt vom Meßstrom (i\, /j) aufladbar ist,

g) eine Rcfcrenzspannungsqucllc (9) zur Erzeugung der <u..;tcn und zweiten Scnwcllwertspannung (Uj bzw. ίΛ) vorgesehen ist.

h) ein erster Komparator (5) zur Triggcrung des Schließcns des Schalter; (Ti, D) bei Überschreitung der ersten Schwcllwcrtspannung durch die Kondcnsatorspannung an die bistabile Kippschaltung (10,11) angeschlossen ist,

i) ein zweiter Komparator (6) zur Triggcrung der Öffnung des Schalters (Tl. D)bc\ Untcrschrciiung der zweiten Schwcllwcrlspannung durch die Kondcnsatorspannung ebenfalls an die bistabile Kippschaltung (tO, II) angeschlossen ist.