DE2453136A1

DE2453136A1 - Vorrichtung und verfahren zur korrektur von ausgangssignalen eines digitalwandlers

Info

Publication number: DE2453136A1
Application number: DE19742453136
Authority: DE
Inventors: Tor Lennart Bernt Griverus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-11-09
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1975-05-22
Also published as: JPS5929802B2; JPS50114267A; DE2453136C3; SE7315252L; SE377612B; US3978727A; US4061030A; GB1482279A; CA1023578A; DE2453136B2; FR2251134B1; FR2251134A1

Description

"Vorrichtung, und Verfahren zur Korrektur von Ausgangssignalen

eines Digitalwandlers"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Korrektur von Ausgangssignaien eines Digitalwandlers, wobei die Ausgangssignale in Form von Impulsketten auftreten und wobei eine physikalische Grosse oder Variable gemessen werden soll.

In vielen Fällen liefern genau arbeitende Messinstrumente Ausgangssignale, welche mit der Messgrösse in einem exakten linearen Zusammenhang stehen. Man spricht dabei von einer sogenannten "Messkennlinie" des Messinstrumentes (d.h. von einer Kurve, welche das Signal in Abhängigkeit von der Messgrösse zeigt), welche sich als

5O9821/07U . -2-

eine gerade Linie darstellt. Aufgrund von Reibung, sonstigen physikalischen Einflüssen und der eigenen Beschaffenheit des Messinstrumentes usw. sind die Ausgangssignale jedoch in Wirklichkeit zur gemessenen Variablen nicht direkt proportional. Anders ausgedrückt, die Kennlinie des Messinstrumentes oder die Verlängerung dieser Kennlinie läuft nicht durch den Koordinatenursprung der graphischen Darstellung der Kennlinie, sondern seitwärts davon. Dies bringt Schwierigkeiten mit sich, insbesondere dann, wenn das Wandlersignal die Gestalt einer Impulskette besitzt, wobei die Impulse durch Addiereinrichtungen oder Zähler gezählt und registriert werden sollen, und die Addiereinrichtungen oder Zähler selbst direkt proportional arbeiten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen und anzugeben, mit deren Hilfe die von einem Wandler der beschriebenen Art gelieferten Impulsketten korrigiert werden könnnen, so dass die Impulsketten direkt und exakt proportional zur gemessenen Grosse über den gesamten Arbeitsbereich des Wandlers hinweg sind.

Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgesehen, mit deren Hilfe die Ausgangsimpulskette eines Digitalwandlers, welche eine physikalische Grosse darstellt, korrigiert werden kann. Die Impulsfrequenz ändert sich proportional, jedoch nicht direkt proportional zur Messgrösse, so dass in einer graphischen Darstellung dieser Zusammenhang durch eine gerade Linie darstellbar ist, welche nicht durch den Koordinatenursprung sondern seitwärts

_ 3 —

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davon verläuft. Durch Überlagerung (Addition oder Subtraktion) von Korrekturimpulsen über die Wandlerimpulse wird diese Gerade versetzt, so dass sie durch den Koordinatenursprung läuft. Bei der Überlagerung sind hauptsächlich zwei Bedingungen zu erfüllen: Es dürfen keine Korrekturimpulse für eine Überlagerung gesendet werden, wenn nicht vorher ein Wandlerimpuls aufgetreten ist; und die Korrekturimpulse und die Wandlerimpulse müssen zeitlich voneinander getrennt sein, so dass sie eindeutig voneinander unterschieden werden können.

Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein typisches Beispiel einer Messkennlinie, in diesem Fall eine Gerade, welche die Abhängigkeit der Frequenz der Wandlerimpulse von der Messgrösse als Funktion des wahren Wertes der Messgrösse zeigt, wobei die Bedingungen für bekannte Verfahren dargestellt sind;

Fig. 2 die Korrektur der Messkennlinie im Sinne dieser Erfindung;

Fig. 3 ein Impulsdiagramm mit den überlagerten Wandlerimputsen und Korrekturimpulsen im Sinne dieser Erfindung;

-A-

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Fig. 4 ejn einfaches Blockschaltbild einer Korrekturschaltung zur Durchführung des dieser Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens;

Fig. 5 und 6 Impulsdiagramme mit der Überlagerung von Wandlerimpulsen und Korrekturimpulsen entsprechend zwei alternativen Arbeitsverfahren der in Fig. 4 dargestellten Schal tung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild entsprechend Fig. 4 mit einer detaillierten Darstellung der Korrekturschaltung;

Fig. 8 ein Impulsdiagramm, aus denn die Formung der Wandler- und Korrekturimpulse hervorgeht;

Fig. 9 ein Impulsdiagramm mit der Überlagerung von Wandler- und Korrekturimpulsenj und

Fig. 10 ein detailliertes Blockschaltbild einer Trenn- und Addierschaltung, welche Teil der Schaltung von Fig. 7 ist.

Die beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten, die in der Einleitung schon angedeutet worden sind, sollen anhand von Fig. kurz dargestellt werden. Fig. 1 zeigt die Kennlinie eines Messinstrumentes, auf welches die Erfindung angewendet werden kann. Bei diesem Messinstrument handelt es sich um einen Messwandler, welcher eine Impulskette abgibt, wobei die Frequenz der Impulse linear proportional zur Messgrosse ist.

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Es wird beispielsweise ein Durchflussmesser zum Messen eines Durchflussvolumens q (m /s) gewählt, in welchem der Wandler in Form eines Rotors oder einer zirkulierenden (Umlaufbahn) Kugel realisiert ist. Die Drehungen (Frequenz f (Hz) ) des Rotors werden in bekannter Weise gemessen. Als Kennlinie erhält man eine Gerade, welche in Fig. 1 als die Linie A dargestellt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Gerade A von einem unteren Wert f . , entsprechend dem geringsten Durchflussvolumen q , startet. Dieser

mm

Wert stellt das kleinste Durchflussvolumen dar, bei dem das Messinstrument anspricht oder welches in äer Praxis gemessen werden soll. Anders ausgedrückt, q . bestimmt die untere Grenze des Arbeitsbereiches. Wird die Gerade A verlängert (unterbrochene Linie), dann schneidet sie aufgrund verschiedener Widerstandsfaktoren, in erster Linie handelt es sich dabei urn hydraulische Verluste, die Ordinate in einem Punkt P unterhalb des Koordinatenursprungs.

Es sei darauf hingewiesen, dass es auch Fälle gibt, wo die gerade Kennlinie die Ordinate oberhalb des Ursprungs schneidet, so wie durch die Linie A' in Fig. 1 im Punkt P' gezeigt. Es gibt verschiedene physikalische Messwandler, welche dieses Merkmal besitzen. Soweit es sich dabei um Durchflussmesser handelt, sind es solche vom hydrodynamischen Oszillatortyp, beispielsweise Wirbel-Durchflussmesser, welche keine beweglichen Teile besitzen und deren Kennlinien die Ordinate oberhalb de.s Ursprungs schneiden. Hinsichtlich dieser Erfindung ist es ohne Bedeutung, ob ö&r Schnittpunkt oberhalb oder unterhalb vom Koordinatenursprung liegt, was aus den folgenden Erläuterungen eindeutig hervorgehen wird.

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Für die Wiedergabe der Frequenz f wird normalerweise ein integrierendes oder direkt anzeigendes Gerät, beispielsweise ein Addierer zur Summierung der gelieferten Impulse verwendet. Die Impulse schalten den Addierer in bekannter Weise hinauf. Da die Linie A eine Gerade ist, ist die Frequenz f proportional zum Durchflussvolumen q. Die Gerade A schneidet jedoch nicht den Ursprung, woraus hervorgeht, dass die Frequenz f zum Durchflussvolumen q nicht direkt proportional ist. Der Zähler oder Addierer registriert andererseits im direkten Verhältnis die empfangenen Signale, wobei seine eigen e Kennlinie im Koordinatenursprung beginnt. Zur Kompensation dieser "Proportionalitätsabweichung wird der Addierer normalerweise so eingestellt, dass seine Kennlinie (Linie B in Fig. 1) eine solche Steigung cfi erhält, dass sie die Kennlinie A des Wandlers eto/va in der Mitte q . des

med

gewünschten Arbeitsbereiches schneidet. Das heisst der Addierer erhält einen Proportionalitätsfaktor K = tanoC . Bei diesem Verfahren treten ganz offensichtlich Messfehler auf, welche zu den Grenzen des Arbeitsbereiches hin zunehmen. Da in vielen Fällen nur kleine Fehler zulässig sind, schrumpft der Arbeitsbereich auf einen sehr kleinen Abschnitt CL in Fig. 1 zusammen. Dies bringt natürlich bei der praktischen Anwendung grosse Schwierigkeiten mit sich.

Mit Hilfe dieser Erfindung soll eine vollständige Korrektur der Wandlersignale erzielt werden. Das bedeutet, dass die Wandlersignals nicht nur proportional, sondern sogar direkt proportional zur Messgrösse sind, ohne dass das Messgerät an Messgenauigkeit verliert. Anders ausgedrückt, die Verlängerung der Kennlinie schneidet den Koordinatenursprung. Diese Korrektur wird nach einem im Grunde einfachen Prinzip erreicht, indem der Wandler-

509821/0714 ~^?"

frequenz eine bestimmte, einstellbare Korrekturfrequenz überlagert wird, wobei die Kennlinie nach oben verschoben wird. Nach der Verschiebung geht die Verlängerung der Kennlinie durch den Ursprung. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 2 dargestellt, wo die nicht korrigierte Frequenzkennlinie des Wandlers durch die Gerade f

(entsprechend der Geraden A in Fig. 1) dargestellt ist, während die korrigierte Frequenzkennlinie durch die Gerade f wiedergegeben wird. Die zur Wandlerfrequenz addierte konstante Frequenz ist durch f. angegeben. Damit erhält man:

f . = f + fj

g korr g k

Innerhalb des Arbeitsbereiches, der von einem unteren Wert f .

³ min

bis zu einer gewünschten oberen Grenze f reicht und in Fig. 2

max

mit a_ gekennzeichnet ist, ist die korrigierte Wandlerfrequenz f . direkt proportional zur Messgrösse q, und TM/ar· über den gesamten Arbeitsbereich hinweg. Aufgrund der obigen Erläuterungen ist einzusehen, warum es ohne Bedeutung ist, ob die nicht korrigierte Kennlinie die Ordinate unterhalb oder oberhalb des Koordinatenursprungs schneidet (Geraden A und A* in Fig. 1). Im zuletzt genannten Fall muss die erforderliche Korrekturfrequenz von der nicht korrigierten Wandlerfrequenz lediglich subtrahiert statt dazu addiert werden. Der Begriff "Überlagerung" und seine Ableitungen werden in dieser Beschreibung und in den Patentansprüchen in ihrem allgemein gültigen mathematischen Sinn gebraucht, was bedeutet, dass die betrachteten Grossen mit geeigneten Vorzeichen kombiniert werden.

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Um die gewünschte parallele Versetzung der Wandlerkennlinie zu erzielen, liefert nach einem dieser Erfindung entsprechenden Verfahren ein Impulsgenerator Impulse mit der gewünschten Korrekturfrequenz f.. Der Impulsgenerator ist mit dem Wandlerausgang verbunden. Für diese Verbindung bestehen einige definierte Bedingungen, welche bei der Frequenzüberlagerung für die gewünschte parallele Versetzung der Wandlerkennlinie eingehalten werden müssen. Die drei wichtigsten Bedingungen sind: Erstens dürfen keine Korrekturimpulse gesendet werden, wenn keine Wandlerimpulse auftreten, wobei diese Bedingung auch so formuliert werden kann, dass Korrekturimpulse nur nach dem Absenden eines Wandlerimpulses abgegeben werden dürfen; zweitens dürfen ein Wandlerimpuls und ein Korrekturimpuls zeitlich nicht zusammenfallen, weil das Addierwerk dann nur einen einzigen Impuls registrieren würde, während eine korrekte Überlagerung zwei registrierte Impulse verlangt, wobei Korrekturimpulse, welche vollständig oder teilweise zusammenfallen, deshalb getrennt werden müssen, so dass das Addierwerk auch tatsächlich zwei Impulse unterscheiden kann; drittens dürfen Korrekturimpulse nach dem Anhalten des Messwandlers oder nach dem Unterschreiten des unteren Grenzwertes f . des Arbeitsbereiches nicht mehr gesendet werden, mm ^a '

d.h. die jedem Wandlerimpuls folgenden Korrekturimpulse müssen ausserhalb der unteren Grenze auf eine maximale Anzahl begrenzt werden.

Die Bedingungen sollen nun in Verbindung mit Fig. 3 im einzelnen diskutiert werden. Fig. 3 zeigt die auftretenden Wandler und Korrekturirnpulse über der Zeitachse. Die Wandlerimpulse sind über der Zeitachse "a", die Korrekturimpulse über der Zeitachse

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¹¹ b" und die überlagerten Impulse über der Zeitachse "c" dargestellt. Fig. 3 zeigt den Fall, bei dem sich die Wandlerfrequenz ihrem unteren Grenzwert nähert, wobei g einen Vorimpuls darstellt, während g einen Endimpuls wiedergibt, der mit der Frequenz f . gesendet worden ist. Der Impuls g tritt möglicherweise später

ausserhalb des Arbeitsbereiches auf. Die Korrekturimpulse k , k usw. werden in einem regeimässigen Zeitintervall entsprechend den ursprünglichen Annahmen gesendet. Entsprechend der oben zuletzt genannten Bedingung muss die Korrekturimpulskette nach dem letzten Wandlerimpuls g abgebrochen werden, wobei dieser Abbruch nicht gleichzeitig mit dem Auftreten des Impulses g sondern nach der Übertragung einer bestimmten Anzahl η von Korrekturimpulsen, entsprechend dem Zeitintervall zwischen dem Vorimpuls g und dem Impuls g erfolgen muss. Hat die niedrigste Wandlerfrequenz den Wert f . , dann besitzt das maximale Zeitintervall zwischen den Wandlerimpulsen den Wert t , d.h. an der Grenze

max

des Arbeitsbereiches gilt die Beziehung t = 1/f . . Hat die

^{a a} max min

Korrekturfrequenz den Wert f , dann ist die Anzahl η der Korrekturimpulse während dieses Zeitintervalls gleich t .f. oder ^ ^a max k

f, /f . . In Fig. 3 ist durch die senkrechte unterbrochene Linie S k mm

angedeutet, dass die Abgabe der Korrekturimpulse nach η solchen Impulsen, die nach dem letzten Wandlerimpuis g_ gesendet worden sind, abgebrochen wird. Auf der Zeitachse "c" in Fig. 3 ist die korrigierte Impulskette unmittelbar vor dem Anhalten des Wandlers dargestellt.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass r . im

mm

allgemeinen den untersten Punkt im geradlinigen Teil der Wandlerkennlinie darstellt. Wie schon angedeutet, werden in Wirklichkeit

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bei bestimmten Fällen Wandlerimpulse auch noch mit einer niedrigeren Frequenz als f . gesendet, aber dann in einem nicht linearen Bereich ausserhalb des Arbeitsbereiches. In dem speziellen benutzten Anwendungsbeispiel mit Durchflussmessern könnte das Medium eine so hohe Viskosität besitzen, dass bei einem sich verringernden Durchfluss der Wandler Impulse abgibt, welche von der linearen Kennlinie abweichen und an einem Punkt f' , so wie in

mm

Fig. 2 angedeutet, enden. Bei der praktischen Anwendung dieser Erfindung ist jedoch f . immer so berechnet, dass dieser Punkt

min

am Ende des geradlinigen Teils der Kennlinie liegt. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass sich im Prinzip nichts ändert, wenn eine Frequenzmultiplikation verwendet wird, d.h., wenn das Ausgangssignal des Wandlers mit einem Faktor/multipliziert wird. Die Frequenz f. ist dabei mit dem Faktor u multipliziert und das Verhältnis

f. /f . = η bleibt unverändert.
k mm

Fig. 4 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung, mit deren Hilfe das dieser Erfindung entsprechende Verfahren ausgeführt werden kann. Ein Wandler 1, so wie oben beschrieben, liefert eine Impulskette mit einer Frequenz, welche proportional zur Messgrösse, beispielsweise dem Durchflussvolumen eines Durchflussmessers, ist. Der Ausgang des Wandlers ist mit dem Eingang einer Korrekturschaltung 2 und mit dem Steuereingang einer Gatterschaltung 3 verbunden. Der Ausgang der Schaltung 3 ist mit dem zweiten Eingang der Korrekturschaltung 2 gekoppelt. Ein Impulsgenerator 4 zum Erzeugen von Korrekturimpulsen ist mit einem zweiten Steuereingang der Gatterschaltung 3 verbunden. Der Einfachheit halber sind die vier Komponenten als getrennte Einheiten dargestellt, obgleich sie in d&r Praxis auf

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verschiedenste Art und Weise zusammengebaut sein können, möglicherweise alle vier in einer einzigen integrierten Schaltung.

In Übereinstimmung mit den obigen Erläuterungen werden die Impulse des Wandlers 1 und die Korrekturimpulse des Generators 4 in der Korrekturschaltung 2 überlagert und zu einem Zähler oder Addierwerk (nicht dargestellt) übertragen. Wie oben erwähnt, ist es mit einer einfachen Überlagerung der Impulse jedoch nicht getan. Vielmehr sorgt die Korrekturschaltung 2 zusammen mit der Gatterschaltung 3 dafür, dass die angegebenen Bedingungen für die Überlagerung eingehalten werden.

Es soll nun zuerst die "Trennbedingung" betrachtet werden, welche festlegt, dass zwei Impulse aus dem Wandler 1 und aus dem Impulsgenerator 4 nicht als ein einziger Impuls weitergegeben werden dürfen, auch wenn sie gleichzeitig auftreten. Die beiden Impulse müssen vielmehr getrennt werden. Diese Bedingung erfüllt die

Korrekturschaltung, welche einen Speicher enthält, der gleichzeitig auftretende Impulse speichert und nacheinander ausgibt. Wird gerade ein Impuls ausgegeben, wenn ein anderer Impuls zur Korrekturschaltung fliesst, dann wird der heue Impuls im Speicher in eine Warteschlange eingereiht. Dieser neue Impuls wird erst übertragen, wenn ein bestimmtes Zeitintervall nach beendeter Ausgabe des vorausgehenden Impulses verstrichen ist, um eine ausreichende Trennung der beiden aufeinanderfolgenden Impulse zu erreichen, so dass das Addierwerk mit Sicherheit zwei Impulse "erkennt".

Die übrigen Bedingungen für die Überlagerung werden von der Gatterschaltung 3 überwacht. Die Koordinaten zwischen den beiden Impulsketten erfordert, dass einerseits die Korrekturimpulse nicht um

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ihrer selbst willen, sondern kontinuierlich in Abhängigkeit von zuerst auftretenden Wandlerimpulsen übertragen werden^ und dass andererseits die Korrekturimpulse begrenzt werden, wenn die Wandlerimpulse so selten erscheinen, dass die untere Grenze des Messbereiches unterschritten wird. Die Prioritätsbedingung für die Wandlerimpulse wird von der Gatterschaltung erfüllt, welche die Korrekturimpulse abblockt oder hindurchlässt und sich nur nach Ansteuerung durch einen Wandlerimpuls öffnet. Für die letzte Bedingung muss das Gatter in der Lage sein, die Korrekturimpulskette zu unterbrechen, wenn kein Wandlerimpuls vorhanden ist, d.h. wenn dem Impuls g in Fig. 3 kein Impuls g folgt. Sollten jedoch ein oder mehrere solcher

"spaten" Impulse auftreten, dann darf nur eine bestimmte Anzahl von Korrekturimpulsen für jeden solchen Wandlerimpuls hindurchfliessen. Das Gatter kann dabei auf zwei verschiedene Arten eingesetzt werden, d.h. seine Funktion beruht entweder auf einer Zeitmessung oder auf einer Impulszählung.

Ein Zeitsteuerungsgatter 3 arbeitet so, dass jeder Wandlerimpuls das Gatter ansteuert und es für ein bestimmtes maximales Zeitintervall t öffnet. Dieses Zeitintervall entspricht gemäss den max · ^a

obigen Erläuterungen dem invertierten Wert von f . Nimmt die

mm

Wandlerfrequenz über den Wert von f . zu, so bleibt das Gatter ständig offen.

Diese Situation ist in Fig. 5 dargestellt, wo das Ausgangssignal des Wandlers auf der Zeitachse "a" und die Gatterfunktion auf der "Zeitachse "a" dargestellt ist. Die Zeitachse "a" zeigt die Zeitintervalle t j während der das Gatter geöffnet ist. Die Korrekturimpulse max' ^{a M}

sind auf der Zeitachse "b" und das resultierende Ausgangssignal

-j O

Iu

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der Korrekturschaltung auf der Zeitachse "c" dargestellt. Es ist einzusehen, dass der Impuls g das Gatter öffnet und dieses dann einen nachfolgenden Korrektur!mpuls k hindurchlässt. Der nächste Wandlerimpuls g' soll, dies wird hier angenommen, etwas zu spät kommen, weil der Wandler für einen Augenblick stehen geblieben ist. Dadurch hatte das Gatter Zeit zu schliessen. Der Impuls g' öffnet es jedoch wieder, so dass der nachfolgende Korrekturimpuls hindurchfliessen kann. Der Korrekturimpuls k , der

dann folgt, wird nicht mehr hindurchgelassen, weil das Gatter wieder genügend Zeit hatte, zu schliessen. Der Impuls g wird

daher in diesem angenommenen Fall ausgesperrt.

Fig. 6 zeigt die Bedingungen für ein Gatter, das eine Impulszählung durchführt. Das bedeutet, dass es fortwährend höchstens eine bestimmte Anzahl von Korrekturimpulsen hindurchlässt. Die Anzahl η ergibt sich aus der Beziehung η = f /f . . In diesem Fall wird angenommen, dass η= 3. Wie in Fig. 5 sind die Wandlerimpulse auf der Zeitachse "a", die Korrekturimpulse auf der Zeitachse "b" und die überlagerten Impulse auf der Zeitachse "c" dargestellt. Der Wandlerimpuls g. öffnet das Gatter und es können drei Korrekturimpulse hindurchfliessen. Danach wird der Eingang, so wie durch die Linie S angedeutet, gesperrt, weil kein weiterer Wandlerimpuls auftrat. Sollte ein späterer Impuls g erscheinen, dann löst er

selbst drei Korrekturimpulse aus. Dieser Zustand ist rechts von der Linie S durch gestrichelte Linien dargestellt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 6 die Korrekturfrequenz grosser als die Wandlerfrequenz aus Gründen der Einfachheit und zum besseren Verständnis angenommen worden ist. In der Praxis liegen beide Frequenzen in der

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gleichen Grössenordnung, d.h. η « 1. Manchmal ist die Frequenz f.

sogar kleiner als die Frequenz f .

Das zuletzt beschriebene Verfahren stellt eine gewisse Näherungslösung dar, weil die gegebene Zahl der Innpulse, die das Gatter hindurchlässt, der vorher definierten Zahl η = f /f entsprechen

k min

soll. Der Quotient muss daher zur nächsten positiven ganzen Zahl gerundet werden. Ohne grosse Schwierigkeit kann das Gatter jedoch so modifiziert werden, dass der Durchschnittswert der Zahl der hindurchgelassenen Impulse den gewünschten Wert η erreicht. Für diesen Zweck wird das Gatter von einem Speicher unterstützt, der es veranlasst, eine solche Zahl von Impulsen hindurchzulassen, welche manchmal etwas grosser und manchmal etwas kleiner als die Zahl η ist, so dass der Durchschnittswert mehrerer Durchläufe gegen η konvergiert.

Ein einfaches numerisches Beispiel verdeutlicht dieses Prinzip. Angenommen, der Quotient f,/f . , d.h.-die gewünschte Anzahl

k min

η von Korrekturimpulsen, ist 2,6, was gleichbedeutend ist mit 13/5 oder 2 3/5. Das Gatter soll dann dreimal jeweils drei Korrekturinnpulse und zweimal nur jeweils zwei Korrekturimpulse hindurchlassen, bezogen auf fünf Durchläufe. Der Durchschnittswert für eine längere Serie von Wandlerimpulsen beträgt dann offensichtlich 2,6.

Fig. 7 bis 10 zeigen eine praktische Ausführungsform der Schaltung von Fig. 4. Fig. 7 zeigt die Schaltung in stärkerer Auflösung, wobei die Komponenten 1-4 in Blöcken mit unterbrochenen Linien dargestellt sind. Ein Wandler 10 liefert ein analoges Signal 12,

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dessen Grosse durch das Wandlerelement bestimmt wird. Das Signal 12 wird in einen Impuls mit Hilfe eines kombinierten Verstärkers und Impulsformers 14 umgesetzt. Ein Korrekturgenerator 24 erzeugt eine Korrekturfrequenz 22, welche im Sinne der obigen Erläuterung so eingestellt ist, dass die Korrekturimpulse bei einer Überlagerung mit den Wandlerimpulsen für die gewünschte Verschiebung der Wandlerkennlinie, so wie oben beschrieben, sorgen. Fig. 8 zeigt ein Beispiel mit verschiedenen Impulsen, wobei oben in Fig. 8 das Signal 12 dargestellt ist, welches durch den Impulsformer 14 in das Rechteck-Signal 16 umgeformt wird. Der Impulsgenerator 24 liefert ein rechteckförmiges Korrektursignal 22. Ein Impuls kann als eine Serie von Potentialänderungen betrachtet werden, d.h. das Signal wechsel zwischen einem niedrigen und einem hohen Pegelwert, so wie durch H und L in Fig. 8 angedeutet. Die Impulsdauer ist die Zeit, in der das Signal einen hohen Pegelwert besitzt.

Die oben erwähnte Gatterschaltung 3 enthält entsprechend Fig. 7 eine Öffnungseinheit 18 zusammen mit einem UND-Gatter 28. Diese Kombination beachtet die beiden Bedingungen hinsichtlich der Priorität der Wandlerimpulse, d.h., dass Korrekturimpulse nur hindurchgelassen werden, wenn zuerst ein Wandler impuls aufgetreten ist, und hinsichtlich der Unterbrechung oder Begrenzung der Korrekturimpulse, wenn die Wandlerimpulse ausbleiben oder mit einer Frequenz unterhalb f . gesendet werden, d.h., wenn der Wandler seinen Arbeitsbereich verlässt, wo die Kennlinie geradlinig ist. Die Wandlerimpulse 16 fliessen vom Verstärker und Impulsformer 14 zur oben erwähnten Korrekturschaltung 2, welche eine Trenn- und Addiereinheit 20 enthält, die im einzelnen

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in Verbindung mit Fig. 10 beschrieben wird. Jeder Impuls steuert ausserdem die Öffnungseinheit 18 an, welche ein Signal mit einer bestimmten maximalen Dauer entsprechend der vorher definierten

Zeit t liefert. Ist das Zeitintervall zwischen den Wandlerimmax

pulsen kürzer als t , dann liefert die Öffnungseinheit 18 ein

max

kontinuierliches Signal 18, d.h. der Ausgang bleibt auf einem hohen Pegelwert. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 9 dargestellt, wo verschiedene Signale der Schaltung von Fig. 7 wiedergegeben sind. Die Zeitachse ist zum besseren Verständnis etwas gedehnt worden. Zunächst wird angenommen, dass keine Wandlerimpulse auftreten. Das Signal 26 befindet sich daher auf einem niedrigen Pegelwert (Pegel 0). Erscheint ein Wandlerimpuls 16*, dann steuert er die Öffnungseinheit an, so dass ihr Signalpegel auf einen hohen Wert 26* geht, der durch den nachfolgenden Wandlerimpuls 16" beibehalten wird. Würde der Impuls 16*' nicht auftreten, dann würde das Signal 26 nach dem Zeitintervall t auf den Pegelwert

^M max ^a

0 zurückfallen, so wie durch die unterbrochene Linie in Fig. 9 gezeigt. Das Signal 26 fliesst zum UND-Gatter 28, welches auch die Korrekturimpulse 22 erhält. Damit diese Impulse durch das Gatter hindurchfliessen können, müssen beide Eingänge auf einem hohen Pegelwert stehen. Dies ergibt sich ganz einfach aus den Betriebsbedingungen für diese Art von Gatter. Am Ausgang des Gatters 28 erscheinen Impulse 30 entsprechend den Impulsen 22 des Korrekturgenerators 24 nur solange, wie das Signal 26' einen hohen Pegelwert besitzt. Das Ergebnis der Überlagerung geht auch aus Fiy. 9 hervor. Ein Korrekturimpuls 22' kann nicht durch das UND-Gatter 28 fliessen, weil das Signal 28 einen niedrigen Pegelwert aufweist, wenn das Signal 22' erscheint. Der folgende Korrekturimpuls 22*' geht hindurch und erscheint als ein Impuls 30', der dann auch durch die Trenn- und Addierschaltung 20 fliesst. Diese Schaltung

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lässt die Wandlerimpulse 16 und die Korrekturimpulse 30 frei hindurch, solange sie zeitlich exakt getrennt sind. Fallen sie zusammen oder Hegen sie zu nahe beieinander, dann werden sie von der Einheit 20 getrennt. Ein resultierendes Ausgangssignal 32 erhält die in Fig. 9 ganz unten gezeigte Gestalt, d.h. die Form einer Impulskette 32 mit einem ersten Impuls 32' entsprechend dem Wandlerimpuls 16*, einemzweiten Impuls 32" entsprechend dem Korrektui— impuls 30*, einem dritten Impuls 32*'' entsprechend dem Wandlerinnpuls 16'' usw.

Die Trenn- und Addierschaltung 20 (siehe Fig. 10) enthält drei Ableitungselemente 40, 42 und 44, ein ODER-Gatter 46, zwei Impulsgeneratoren 48 und 50, einen Inverter 52, einen Speicher 54 und zwei UND-Gatter 56 und 58. Die Einheit 20 erhält Wandlei— und Korrekturimpulse 16 und 30 und liefert die resultierenden Impulse 32. Die Schaltung ist so konstruiert, dass sie auf die vordere Flanke der ankommenden Impulse reagiert, d.h. auf den Potentialsprung von einem niedrigen auf einen hohen Wert. Ein ankommender Impuls 16 oder 30 wird durch die Elemente 40 und 42 "abgeleitet", d.h. diese Elemente liefern für jeden empfangenen Impuls einen sehr schmalen Impuls (Nadelimpuls), der zeitlich mit der vorderen Flanke des ankommenden Impulses zusammenfällt. Dieser kurzdauernde Impuls passiert das ODER-Gatter 46 und startet die beiden Impulsgeneratoren 48 und 50, welche jeweils einen Impuls aussenden. Die Impulsdauer X des Generators 50 ist etwas grosser als die Impulsdauer X des Generators 48. Nach der Ansteuerung der Generatoren befinden sich ihre Ausgangssignale auf einem hohen Pegelwert und wenn nun ein Impuls ankommt, während der Generator 48 einen Impuls überträgt, dann wird dieser zu früh

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eintreffende Impuls zum Speicher 54 über ein UND-Gatter 56 geleitet. Das UND-Gatter 56 ist zu diesem Zeitpunkt offen, weil seine beiden Eingänge auf einenn hohen Pegelwert liegen (das Ausgangssignal des Generators 50 ist in diesem Augenblick auch auf einem hohen Pegelwert). Der Speicher, der den Impuls über seinen Speichereingang 54s erhält, steuert über seinen Ausgang das UND-Gatter 58. In dem betrachteten Augenblick ist das Eingangssignal für dieses Gatter aus der Schaltung 54 auf einem hohen Pegelwert. Ist nun die Impulszeit ~L abgelaufen, d.h. das Signal des Impulsgenerators 50 fällt von einem hohen auf einen niedrigen Pegelwert, dann gelangt dieser Potentialsprung über den Inverter 52, dessen Ausgangssignal von einem niedrigen auf einen hohen Pegelwert geht, zum ODER-Gatter 46, wobei das UND-Gatter 58 durchlaufen werden kann, weil seine beiden Eingänge auf einem hohen Pegel liegen. Das Signal erreicht das Gatter 46 über das Element 44, welches eine Umwandlung in einen sehr kurzen Impuls oder Nadelimpuls der gleichen Form, wie aus den Elementen 40 und 42, bewirkt. Dieser Impuls, der den Speicher 54 über den Rücksetzeingang 54c zurücksetzt, kann nun ungehindert zum Ausgang 32 fliessen, und zwar exakt getrennt vom dicht vorausgehenden Impuls. Die Trennung geschieht aufgrund der Verzögerung in dem beschriebenen Rückkopp Iu ng sweg über den Speicher 54. Es ist einzusehen, dass der Grund dafür, warum die Impulsdauer T etwas langer als die Impulsdauer T sein soll, darin liegt, sicher-

zustellen, dass ein bei den Generatoren 48 und 50 ankommender Impuls nicht dadurch unterdrückt wird, weil bei einem inaktiven Generator 50 und bei einenn aktiven Generator 48 (u.h.fp IrT.,) der Generator 50 ohne Wirkung auf den Ausgang 32 angesteuert und der Impuls nicht im Speicher 54 gespeichert wird.

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In der oben beschriebenen Schaltung arbeitet die Öffnungseinheit so, dass in Abhängigkeit von Wandlerimpulsen der Durchlauf von Korrekturimpulsen 30 zur Schaltung 20 bestimmt wird, und zwar in Abhängigkeit von der Zeit t . Wie bereits erwähnt, ist es jedoch auch möglich, die grösste Anzahl erlaubter Korrekturimpulse nach jedem Wandlerimpuls zu bestimmen und die Offnungseinheit in Übereinstimmung damit zu modifizieren.

In der beschriebenen Vorrichtung wird also angenommen, dass die Überlagerung der Korrekturfrequenz und der Wandlerfrequenz eine Addition der beiden Frequenzen bedeutet. Wie bereits in der Einleitung festgestellt, gibt es auch Fälle, bei denen die Korrekturfrequenz von der Wandlerfrequenz abgezogen werden muss. Dieser Fall stellt technisch einen einfacheren Fall dar als die Addition. Die in Fig. 7 gezeigte Schaltung kann ohne Schwierigkeit zur Durchführung einer solchen Subtraktion ausgelegt werden. So kann beispielsweise ein herkömmlicher, vorher gesetzter Zähler als eine Art "Eliminator" für die Wandlerimpulse eingesetzt werden, indem er fortwährend durch die Korrekturimpulse auf einen bestimmten Wert η (z.B. 1, 2 oder 3) gesetzt wird, wobei aufgrund dieses Wertes eine entsprechende Anzahl von Wandlerimpulsen nacheinander eliminiert wird, und zwar durch einen Rückwärts-Zählvorgang des vorher gesetzten Zählers, bevor nachfolgende Impulse wieder zum Ausgang hindurchfliessen können. Die notwendige Trennung der Korrektur- und Wandlerimpulse kann beispielsweise in der gleichen Art geschehen, wie in der in Fig. 10 gezeigten Schaltung, indem man Impulsgeneratoren mit etwas anderen Impulszeiten benutzt.

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Ein grosser Vorteil der dieser Erfindung entsprechenden Vorrichtung und des zugrundeliegenden Verfahrens liegt darin, dass die Generatorschaltung für die Korrekturimpulse leicht modifiziert werden kann, um die Frequenz der Korrekturimpulse zu ändern und damit sich verändernde äussere Bedingungen zu kompensieren. Einflüsse auf die Messergebnisse lassen sich dadurch verhindern. In Durchflussmessern beispielsweise können unterschiedliche Temperaturen eine Änderung der Viskosität des hindurchfliessenden Mediums und damit Messfehler verursachen. Dies lässt sich korrigieren, indem man die Temperatur zur Regelung der Frequenz der Korrektui— impulse benutzt. Ferner kann die Frequenz zum Ausgleich von bei der Herstellung verschiedener Exemplare des gleichen Wandlertyps auftretenden Abweichungen benutzt werden, um die Genauigkeit jedes einzelnen Instrumentes bestmöglich einzustellen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

Vorrichtung zur Korrektur von Ausgangssignalen eines Digitalwandlers, wobei die Ausgangssignale die Form von Impulsketten für die Messung einer physikalischen Grosse besitzen und die Kennlinie der Wandler-Impulsfrequenz f als Funktion der physikalischen

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Grosse im Arbeitsbereich des Wandlers praktisch eine Gerade ist, welche aufgrund der Beschaffenheit des Wandlers bei einer Verlängerung aus dem Arbeitsbereich heraus die Koordinatenachse für die Wandlerfrequenz an einem Punkt ausserhalb des Koordinatenursprungs schneidet, und wobei eine Korrekturfrequenz f, der

K.

Wandler-Impulsfrequenz f überlagert wird, so dass eine korrigierte

Ausgangsimpulsfrequenz f entsteht, und f. einen solchen Wert

besitzt, dass die resultierende Kennlinie etwa durch den Koordinatenursprung läuft, gekennzeichnet durch einen Korrektur-Impulsgenerator (4) zum Erzeugen von Impulsen mit der Korrekturfrequenz f ,

und eine Gatterschaltung (3) zum Empfangen der Korrekturimpulse, wobei die Gatterschaltung auch Wandlerimpulse aus dem Wandler (1) erhält und dabei in Abhängigkeit von den Wandlerimpulsen in gesteuerter Form Korrekturimpulse zu einer Korrekturschaltung (2) schickt, welche ebenfalls Wandlerimpulse erhält und zuerst zeitlich zusammenfallende oder nahe beieinanderliegende Impulse trennt und dann eine Überlagerung beider Impulsketten durchführt, so dass sich die oben genannte korrigierte Wandler-Impulsfrequenz f

. g korr

ergibt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Frequenz f. des Korrektui—Impulsgenerators durch ein Signal, beik

spielsweise ein analoges Signal in Abhängigkeit von einer äusseren Variablen, etwa der Temperatur, geregelt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatterschaltung (3) Korrekturimpulse nach Empfang eines Wandlerimpulses in einer solchen Anzahl hindurchlässt, dass im Mittel der Wert von f /f nicht überschritten wird.

k mm
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder .2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatterschaltung (3) eine Öffnungseinheit (18) und ein UND-Gatter (28) enthält, welche Korrekturimpulse nach Empfang eines Wandlerimpulses während eines maximalen Zeitintervalls t = 1/f hindurchlassen, wobei f der niedrigste Wert max min mm

der Wandlerfrequenz an der unteren Grenze des Arbeitsbereiches ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung (2) aus einer kombinierten Trenn- und Addiereinheit (20) besteht, welche ein ODER-Gatter (46) zum Aufnehmen von Wandler- und Korrekturimpulsen (16 und 30) und zur Übertragung dieser Impulse zu zwei Impulsgeneratoren (48, 50) besitzt, wobei die Impulsgeneratoren durch diese Impulse für ein bestimmtes Pulsintervall (f bzw. 7%.) getriggert werden und' der eine Impulsgenerator (48) einen Impuls zum Ausgang (32) der Einheit (20) für jeden im inaktiven Zustand erhaltenen Impuls sendet, während der zweite Impulsgenerator (50) über seinen Ausgang einerseits mit dem ODER-Gatter (46) über einen Inverter (52) und ein erstes UND-Gatter (58) und andererseits über ein zweites UND-Gatter (56) mit dem

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Speichereingang (54s) eines Speichers (54) verbunden ist, wobei der Speicher (54) einen Impuls empfängt und speichert, der an den Impulsgeneratoren (48, 50) aus dem ODER-Gatter (46) ankommt, während diese aktiviert sind, und dann zum zweiten UND-Gatter (56) fliesst, welches geöffnet ist, weil sein zweiter Eingang mit dem Ausgang des aktiven zweiten Impulsgenerators (50) verbunden ist, und der Intensitätssprung am Ausgang des zweiten Impulsgenerators (50), der durch die Deaktivierung des Generators nach dem verfügbaren Impulsintervall (X" ) verursacht wird, durch den Inverter (52) in einen Impuls konvertiert wird, der zum zweiten UND-Gatter (58) fliesst und dort hindurchläuft, weil der zweite Eingang dieses Gatters mit dem gerade aktiven Ausgang des Speichers (54) verbunden ist, wobei der Impuls dann einerseits zum ODER-Gatter (46) zurückkehrt, um dort zu den nun inaktiven Impulsgeneratoren (48, 50) hindurchgelassen und zum Ausgang (32) der Einheit (20) in Form eines korrigierten Impulses übertragen zu werden, und zwar eindeutig getrennt von dem unmittelbar vorangehenden Impuls, und andererseits den Speicher (54) über den Rücksetzeingang (54c) zurücksetzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ODER-Gatter (46) Ableitschaltungen (40, 42, 44) liegen, welche die dem Gatter zuzuführenden Signale in Impulse von extrem kurzer Dauer, sogenannte Nadelimpulse, umformen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Impulsgenerator (50) eine etwas längere Impulszeit (fp) hat als der erste Impulsgenerator (48).

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8. Verfahren zur Korrektur von Ausgangssignalen eines Digitalwandlers, der eine physikalische Grosse misst und dabei eine Impulskette abgibt, wobei die Kennlinie der Wandlerfrequenz f als Funktion der physikalischen Grosse im Arbeitsbereich des Wandlers praktisch eine Gerade darstellt, welche aufgrund der Beschaffenheit des Wandlers ausserhalb des Arbeitsbereiches die Wandlerfrequenz-Koordinatenachse ausserhalb des Koordinatenursprungs schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturfrequenz f. der Wandlerimpulsfrequenz f überlagert wird.

k g

um eine korrigierte Wandlerimpulsfrequenz f zu erhalten,

wobei die Korrekturfrequenz f so eingestellt wird, dass die re-

sultierende Kennlinie durch den Koordinatenursprung läuft, keine Korrekturimpulse für die Überlagerung mit den Wandlerimpulsen gesendet werden, wenn nicht zuerst ein Wandlerimpuls aufgetreten ist, und zeitlich nahe beieinanderliegende oder zusammenfallende Wandler- und Korrekturimpulse in zwei eindeutig unterscheidbare Impulse getrennt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturimpulse, die jedem Wandlerimpuls überlagert werden, auf eine maximale Zahl begrenzt sind, wenn die Wandlerfrequenz unter den unteren Grenzwert f des Arbeitsbereiches fällt.

min
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Wandlerimpuls Korrekturimpulse für die Überlagerung während eines Zeitintervalls, das grosser als t — 1/f ^y > a _max

ist, gesendet werden.
11." Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Wandlerimpuls Korrekturimpulse für die Über—

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lagerung gesendet werden, deren Zahl nicht grosser als η = f. /f

K ΓΓΊΙΓΪ
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Wandler impuls Korrekturimpulse für die Überlagerung gesendet werden, deren Zahl η höchstens gleich f /f

k mm

ist, oder deren Zahl gleich den ganzen Zahlen N und K ist, und zwar wertmässig unmittelbar über oder unter diesem Quotienten, wobei die Wandlerimpulse abwechselnd die Abgabe von N und K Korrekturimpulsen in der Weise steuern, dass der Durchschnittswert der gesamten Anzahl dieser Impulse pro Wandlerimpuls gleich der Anzahl η ist.

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