DE2202059A1

DE2202059A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Integration einer elektrischen Spannung mit digitaler Anzeige

Info

Publication number: DE2202059A1
Application number: DE19722202059
Authority: DE
Inventors: Roger Hadida
Original assignee: Ben SA
Current assignee: Ben SA
Priority date: 1971-01-15
Filing date: 1972-01-17
Publication date: 1972-09-21
Also published as: US3818204A; GB1348584A; FR2122029A5

Description

DR.-ING. EUGEN MÄIER PATENTANWALT

ORESDNER BANK AQ TBLKFONI (0711)04 07 01/0 STUTTGART NR. 3SOSBO

TtLItRiMMEi mentor 7 STUTTGART 1, PISCHEKSTR. 19 Postscheck STST. aeaoo

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Soclete BEN Societe Anonyme 9. rue Labry, 13 Marseille 4eOe, Prance

Verfahren und Vorrichtung zur Integration einer elektrischen Spannung mit digitaler Anzeige

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration einer elektrischen Spannung über die Zeit in einer Vorrichtung alt einem Integrationskondeneator und einer elektromechanischen digitalen Anzeige- oder Zähleinrichtung.

Bei einem solchen Verfahren wird von der bekannten Gesetzmäßigkeit Gebrauch gemacht, daß die Spannung an den Klemmen des Kondensators proportional dem Zeitintegral des den

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Kondensator aufladenden Stromes ist. Da ein solcher Kondensator nicht unbegrenzt aufgeladen werden kann, muß er jeweils nach Erreichen eines bestimmten Spannungsniveaus an den Klemmen, das einer Einheit der integrierten Größe entspricht, mitteIs einer entsprechenden Einrichtung wieder entladen werden. Eine solche Entladeeinrichtung muß sehr schnell arbeiten, da während des Entladevorgangs der Integrationsvorgang unterbrochen ist. E₈ ist bekannt, zu diesem Zweck relativ komplizierte elektronische Vorrichtungen zu verwenden. Nach jedem Entladevorgang ist es ferner notwendig, eine Anzeigeeinrichtung um eine Einheit weiterzuschalten ο Die bekannten Vorrichtungen dieser Art sind verhältnismäßig kompliziert aufgebaut und daher teuer,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, womit eine wesentliche Vereinfachung des Konstrufctions- und Schaltungsaufwandes gegenüber bisher und damit eine Verbilligung der betreffenden Vorrichtung auf das Kostenniveau handelsüblicher Elektrizitätszähler möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß javrails nach Aufladung dea Integraticnetcondentm tors auf aAnsn bestimmten, die Einheit ies Integrale definierenden

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Ladungeschwellwert die Entladung des Integrationskondensa« tors durch die die Integraleinheiten zählende elektrodechanieche Anzeige» oder Zähleinrichtung ausgelöst wirdλ

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieaea Verfahrens weist vorteilhafterweise eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf:

a) Die elektroaechanlBche Anzeige- oder Zähleinrichtung für die Anzahl der am Integrationskondensator nacheinander auftretenden, die Einheit des Integral ^ wertes bildenden Lad ungeschwellwerte weist eine Einrichtung zum Aus· lösen der Entladung des Integrationskondensators auf.

b) ItLe Entladeeinrichtung für den Integrationskondensator weist ein mittels der Zähleinrichtung betätigbares Schalt· organ zu« Kurzschließen des Kondensators auf, dessen beide Klemmen gegenüber der auf dem Potential Null liegenden Hasse isoliert sind. Damit ist es rcöglich_p auch einen solchen Kondensator eu entlade», der an keiner Klemme auf Massepotential liegt.

.'.'" Di.e elffstycrtaacheaisclia Anze.ge cdei Zähleinrichtung

BAD ORIGINAL

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weist eine Spule und einen mit dieser zusammenwirkenden Anker auf, und der Anker ist mechanisch mit dem Schalt» organ der Entladeeinrichtung verbunden. Dadurch wird das Schaltorgan während der Bewegung des Ankers der Zähleinrichtung betätigt.

d) Um auch eine Integration einer Spannung mit sich ändernder Polarität SU ermöglichen, können zwei mit dem Integrationskondeneator verbundene Vergleichsschaltungen zur Ermittlung jeweils eines bestimmten Ladungsschwellwerte des Integrationekondeneators und Ansteuerung eines nach Maßgabe des jeweiligen Ladungsschwellwerts vorwärts oder rückwärts zählenden Zählwerks vorgesehen sein, welches Zählwerk mit zwei Schaltern zur Entladung des Integra«» tionskondensators verbunden ist, von denen der eine Schalter jeweils bei den Vorwärtszählvorgängeη und der andere Schalter jeweils bei den RUckwärtszählvorgängen einschaltbar ist.

e) Dta eine vollständige Entladung des Integrationskondensa» tors bei jedem Zählvorgang zu gewährleisten, kann parallel zur Spule der elektromechanischen Anzeigevorrichtung ein Kondensator geschaltet werden.

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Die erfindung8gemäße Torrichtung enthält einen Integrationskondensator, der in den Gegenkopplungskreis zwischen Ausgang und Eingang eines Gleichspannungsverstärkers mit hohem Verstärkungsgrad und großer Eingangsimpedanz eingeschaltet ist. Der Gleichspannungsverstärker ist vorzugsweise als integrier«· te Schaltung ausgebildet« Sie zu integrierende Spannung wird über einen ladewiderstand geeigneter Größe an den Verstärkereingang angelegt. Es ist bei solchen Schaltungen bekannt, daß der den Integrationskondeneator aufladende Ladestrom proportional zu der an Eingang des Ladewiderstands angelegten Span« nung ist. Der Integrationsfaktor hängt nur von der Kapazität des Integratlonskondensatore und der Grüße des Ladewiderstan« des ab«

Die verstärkte Auegangsspannung des Verstärkers, die praktisch gleich der Spannung an den Klemmen des Integrationskondensators ist, wird zur Ermittlung des Spannungsschwellwertes mittels eines Spannungsvergleichers mit zwei Eingängen mit einer Bezugsspannung verglichen. Der Vergleicher ist ein Gleichspannungsverstärker mit hohem Verstärkungsgrad. Er ist mit einer positiven Rückkopplung ausgestattet und funktioniert daher als Trigger, der jeweils dann ein scharf definiertes Auslösesignal abgibt, wenn die Spannung des Integral icnskondensators die Bezugsepannung um einen sehr klei-

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nen Betrag übersteigt. Sie Bezugaspannung kann entweder über eine Bezugsdiode oder über die Speisespannung des Verstärkers, wenn diese ausreichend stabilisiert ist, zur Verfügung gestellt werden· Ee ist auch möglich, zur Durchführung einer bestimmten Operation mit den Integral eine nach einem bestimmten Gesetz variierende Bezugsspannung zu verwenden. Dem Vergleicher ist eine Veatärkerstufe nachgeschaltet, die die Anzeigeeinrichtung ansteuert.

Sie Anzeigeeinrichtung ist ein elektromeohanisoher Zähler. Er weist ein Relais mit Spule, Kern, Magnetjoch und Anker auf, welches bei jedem Stromimpuls, das es empfängt, einen Digitalzähler beispielsweise mittels eines Klinkenrades je« weis um eine Ziffer weiterschaltet. Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke.beeteht im wesentlichen darin, mit dem Anker des Relais bei jedem Zählvorgang gleichzeitig einen Schalter zur Entladung des Integratlonskondensators zu bewegen. Der Vorteil eines solchen Verfahrene besteht u.a. darin, dai zu diesem Zweok nur ein einziges, sehr einfaches zusätzliches Schaltelement benötigt wird, und daß, sofern die beiden Klemmen des Sohaltorganes gegenüber der Masse isoliert sind, auch ein solcher Integrationskonden» aator entladen werden kann, der ebenfalle gegeuüber der Mas

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se isoliert ist. Die Genauigkeit einer solchen Anordnung ist im wesentlichen beschränkt durch die Ansprechzeit des Relais der Anzeigeeinrichtung und des Schaltorganes. Diese Zeitkonstante kann durch eine geeignete Anordnung der mechanischen Elemente und durch die Auswahl eines Relais mit kleiner Selbstinduktion und kleinem Widerstand, dae durch einen hohen Stromimpuls angesteuert wird, auf ein Minimum reduziert werden. Dieser Stromimpuls wird vorzugsweise durch einen Kondensator hoher Kapazität erzeugt. Dieser Kondensator wird dauernd duroh die Stromversorgung über einen geeigneten Widerstand aufgeladen, so daß auch für die maximale Dauer eines Zählvorgangs die Spannung an den Klemmen dieses Kondensators zur Betätigung des Zählwerke ausreicht. Auf diese Weise wird die Belastung der Speisespannungequelle durch Stromimpulse klein gehalten.

Sofern die zu integrierende Spannung eine bezüglich der Polarität der BeEugsspannungsquelle entgegengesetzte Polarität aufweisen kann, wird gemäß der Erfindung ein zweiter Yergleicher und eine zweite Bezugsspannung mit dem gleichen Betrag wie die erste Bezugsspannung aber mit unterschiedli~ eher Polarität verwendet. Ferner muß ein vorwärts- und rückvärtszählendes Zählwerk verwendet werden, das ein zweites

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Relais aufweist, welches bei jeden Stromimpuls, das es empfängt, das Zählwerk un eine Einheit eurüokdreht. Bas eweite Relais ist ebenfalls mit einen Schaltorgan ausgestattet, nit welohen die Entladung des Integrationskondensators bewirkt werden kann.

Der Gegenstand der Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo eine in eine elektrische Spannung unwandelbare GrOSe über der Zelt aufsulntegrleren ist, unter der Toraussetsang, daß diese GrOBe eich nit der Zeit nioht su schnell ändert. Beispiele hierfür sind die Geschwindigkeit eines Sohlffes sur Ermittlung der surttokgelegten Entfernung oder der Durohsats eines fluids sur Beetinnung der abgegebenen iluidnenge. Außerdem kann an Ausgang der Trigger eine Impulsfolge abgegriffen werden, deren Vrequens proportional sun Mittelwert der an Integrierereingang angelegten Spannung ist.

In der Zeichnung sind swei Aueführungebeispiele der Erfindung in schenatisoher Welse dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Integriereranordnung für eine Spannung nit konstanter Polarität; und

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Yig. 2 eine Integrieranordnung für eine Spannung nit wechselnder Polarität.

Der Integrationskondensator 1 ist in den Gegenkopplungekreis eines Glelohspannungsverstärkers 4 nit hoher EIngangsinpedans «wischen den Verstärkereingang 2 und den Ausgang 3 angeordnet. Die zu integrierende Spannung wird «wischen den Kiemen 5 und 6, das heißt an den Eingang des Verstärkers 4 unter Zwischenschaltung eines hohen Ladewiderstandes 7 ang&egt.

Der Ausgang 3 des Verstärkers 4 ist nit den einen Eingang 8 eines swei Eingänge 8 und 1o aufweisenden Spannungsvergleichere 9 verbunden, der aus einen Gleichspannungsverstärker nit hohen Verstärkungsgrad besteht. Dieser Vergleioher ist nit einer in der Zeichnung nicht dargestellten positiven Rückkopplung ausgestattet, und funktioniert daher als !Trigger, das heißt sein Ausgangesignal kippt sofort heftig un, sobald die an Eingang 8 herrschende Spannung die den zweiten Eingang 1o aufgedrüokte Bezugsspannung übersteigt. Die zwischen der auf den Potential Null liegenden leitung 11 und den Eingang 1o des Vergleiohera 9 aufgebaute Bezugsspannung wird durch ein an sich

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bekanntes Element 12 bestirnt, das z.B. eine Diodensohaltang oder auch ein alt der Stromversorgung (sofern deren Stabilität ausreichend ist) verbundener Spannungsteiler sein kann. Es kann sich dabei auch um eine Quelle handeln, deren Spannung sich nach einer bestirnten Gesetzmäßigkeit ändert, davit eine entspreohende Verknüpfungsoperation mit den Integral durchgeführt werden kann.

Der Ausgang 13 des Vergleichere 9 ist alt dem Eingang U eines Verstärkers 15 verbunden, dessen Aasgang 16 die Anzeigeeinrichtung ansteuert.

Die Anzeigeeinrichtung ist im wesentlichen ein elektrome« chanischer Zähler. Er besteht o.a. aus einer Spule ^^_t einem Kern, einem Magnetjoch und einem Anker 18, welch letzterer in ein Klinkenrad 19 eingreift, welches mit einem

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Digital-Anzeigegerät/verbunden 1st.

Außerdem ist ein Schaltorgan 21 mit dem Anker 18 in der Weise verbunden, daß das Schaltorgan schließt, wenn der Anker von der Spule 17 angezogen wird. Die beiden Klemmen des Schaltorgane 21 sind gegenüber der Hasse isoliert und jeweils mit einer Klemme des Integrationskondensatore 1 verbunden

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Zwischen der Spule und der auf Massepotential liegenden Leitung 11 ist ein Kondensator 22 hoher Kapazität eingeschaltet; dieser ist außerdem unter Zwischenschaltung eines Ladewideratandes 23 mit ßer Speisespannungsquelle 24 verbun«= den.

Die obenbeschriebene Vorrichtung funktioniert folgendermaßen:

Der Integrationskondeneator 1 lädt sich mit einem zu der zwischen den beiden Klemmen 5 und 6 angelegten Spannung proportionalen Strom auf. Der Integrationsfaktor hängt nur von der Kapazität des Kondensators 1 und dem Wert des Widerstandes 7 ab. Die Ausgangespannung des Verstärkers 4 ist praktisch gleich der Spannung an den Klemmen des Kondensators 1; sie wird in dem Vergleicher 9 mit der an dem Eingang 1o angelegten Bezugsspannung verglichen. Sobald die zu vergleichende Spannung die Bezugsspannung um einen sehr kleinen Betrag übersteigt, wird von dem Vergleicher 9 ein Steuerimpuls auf den Verstärker 15 tibertragen, der seinerseits die Spule 17 des Zählwerks mit einem Steuerimpuls versorgt. Die Energie dieses Impulses wird von dem Kondensator 22 entnommen, dessen Kapazität so groß ist, daß er eine stabile Spannungs-•rille darstellte Der Ladewiderstand 23 ist dabei so dimen·= r.icn.iert, ciai ei ie Wiederaufladung öeß Kondensators 22 zwi-

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βohen swei Iapulsen auch bei der maximalen Zählfrequenz gewährleistet ist.

Durch den Stroaiapuls in der Spule 17 wird der Anker 18 angesogen. Dadurch wird einaal die an dea Gerät 2o digital angeBeigte Zahl ua eine Einheit weitergesohaltet und sub anderen der Schalter 21 in seine Schließstellung gebracht, wodurch der Integrationskondensator kursgeechlossen und damit entladen wird.

Ab Ende des über die Spule 17 fließenden Stroaiapuleee kehrt der Anker in seine ursprüngliche Poeition surttok und der Kondensator 1 beginnt sich wieder aufsuladen, wodurch seine Spannung ton neuea ansteigt.

Sofern die su Integrierende Spannung eine sich ändernde Polarität aufweist, kann das in Fig. 2 soheaatisch dargestellt te Ausführungebeispiel der Erfindung sur Integration verwendet werden. Es ist dort susätslich su der Schaltung nach Fig. 1 ein sweiter Tergleicher 9* sowie eine sweite Besugs~ spannungen, uelle 12* sur Er Beugung einer Spannung ait gleiches Betrag wie bei der ersten Spannungequelle jedoch entgegengesetster Polarität vorgesehen. Auflerdea weist das

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elektroMohanisohe Zählwerk eine «weite Spule 17' aod einen «weiten Anker 18* auf, die eine Rückwärtsbewegung dee Zählwerke ua je eine Einheit bewirken, sofern die Spule 17 eit einem entsprechenden Iapuls beaufschlagt wird· Der sweite Anker 18' 1st susätelioh alt eine« »weiten Schaltorgan 21', das but Entladung des Integrationekondeneators 1 dient, verbunden.

Die beiden obenbeeohriebenen Schaltungen funktionieren nur dann nit ausreichender Genauigkeit, wenn nach Abschluß jedes Zählvorgangs der Integrationakondensator 1 vollständig über das Schaltorgan 21 oder 21' entladen worden ist« Dieser Entladevorgang muß daher »it großer Sorgfalt überwacht werden.

Die vollständige Entladung des Integrationskondensators 1 kann auch dadurch gewährleistet werden, daß parallel au der Spule 17 ein Kondensator 25 geschaltet wird. I« falle der Fig. 2 wird entsprechend ein Kondensator 25* parallel sur Spule 17' geschaltet. S»bald in Augenbliok des Uvkippens des Triggers der Verstärker 25 (oder 25') durohgesteuert ist, liegt fast die ganze Spannung der Quelle 24 an der Spule 17 (oder 17') sowie an den Kondensator 25 (oder 25') über cie Ausgangeimpedanz des Verstärkers 15 (oder 15').

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Sie Ausgangsiapedanz dee Verstärkers wird so klein gewählt, daß die Zeit star Aufladung des Kondensators 25 (oder 25') kleiner als die zua Anziehen des Ankers 18 (oder 18*) erforderliche Zelt ist. Sobald das Schaltorgan 21 (oder 21°) sich schließt, entladt sich der Kondensator 1, der Trigger kippt wieder zurück und der Verstärker 15 (oder 15") wird blockiert. Sofern der Anker bis bu diesen Augenblick seine Bewegung und davit den Zählsohritt noch nicht vollständig ausgeführt hat« wird die sur Zuendeführung dieser Bewegung erforderliche Energie anschließend bein Entladen des Kondensators 25 (oder 25') über die Spule 17 (oder 17') geliefert. Die Kapazität des Kondensators 25 (oder 25') ist dabei so zu wählen, daß die Sohließzeit des Schaltorgans (oder 21') nioht unnötig verlängert wird»

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine übliche numerische Zählvorrichtung, die gleichzeitig eine logische Steuerung auszuführen vermag.

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1. /Verfahren zur Integration einer elektrischen Spannung y in einer Vorrichtung

Über die Zeit/ait einen Integrationskondensator und

einer elektroeeohaniechen digitalen Anzeige- und Zähleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach Aufladung des Integrations«» kondensators auf einen bestimmten, die Einheit des Integrals definierenden Ladungsschwellwert die Entladung des IntegrationskondensatorB durch die die Integraleln» heiteη zählende elektroeechanisohe Anzeige- oder Zähl» einrichtung ausgelost wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroaechanlsche Anzeige- oder Zähleinrichtung für die Anzahl der a« Intsgratioaskondeneator (1) nacheinander auftretenden Ladungsschwellwerte eine Einrichtung (17, 18, 21) Ecm Auslösen der Entladung dee Integrationskcndensators aufweist.

5« Verrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge-

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BAOORIQ(NAl

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kennzeichnet , daß öle Entladeeinrichtung für den Integrationekondensator (1) ein mittels der Zähleinrichtung betätigbaree Schaltorgan (21) zum Kurzschließen des Kondensators (1) aufweist, dessen Klemmen gegenüber der Masse isoliert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromechanisch^ Anzeige- oder Zähleinrichtung eine Spule (17) und einen mit dieser zusammenwirkenden Anker (18) aufweist, und der Anker mechanisch mit dem Schaltorgan (21) verbunden ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei mit dem Integrationskondensator (1) verbundene Vergleichsschaltungen (9, 9') zur Ermittlung jeweils eines bestimmten Ladungsschwellwerts des lategrationskondensators (1) und Ansteuerung eines nach MaBgebe des jeweiligen Ladungsscbwellwerte vorwärts- oder rückwärtszählenden Zählwerks (18, 18% 19), welches Zählwerk mit zwei Schaltorganen (21, 21') zur Entladung des Integrationskondensators verbunden ist, von denen das eine Schaltorgan (21) jeweils Hei den VorwärtSBählvorgängen and das andere Schaltorgan (i1 ) jeweils bei den Hückwärtszählvorgängen einschaltbar ist. 209839/0663

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen parallel zur Spule (17* 17*) der elektromechanischen Anzeige- oder Zähleinrichtung geschalteten Kondensator (25* 25*)·

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