DE3436235A1 - Arrangement with several measuring devices - Google Patents

Abstract

The invention relates to an arrangement with several measuring devices for recording physical quantities and with a central processor unit connected to the measuring devices and operating in time-division multiplex mode. To be able to carry out the data transmission reliably and in a simple manner in such an arrangement, transmitting and receiving devices (TRS, TRR) of all measuring devices (TR1...TRn) and the transmitting and the receiving device (CES, CER) of the central processor unit (CPPU) are arranged in a single circuit with an operating voltage source (E), forming a single current loop (L). <IMAGE>

Description

FUJI ELECTRIC CO., LTD. Mein ZeichenFUJI ELECTRIC CO., LTD. My sign

Kawasaki / Japan VPA 83 P 8 5 5 9 DEKawasaki / Japan VPA 83 P 8 5 5 9 DE

Anordnung mit mehreren MeßeinrichtungenArrangement with several measuring devices

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit mehreren Meßeinrichtungen zur Erfassung physikalischer Größen und zur Umsetzung dieser Größen in digitale elektrische Meßsignale, wobei jede Meßeinrichtung eine Sende- und eine Empfangseinrichtung für digitale Signale enthält, und mit einer mit den Meßeinrichtungen verbundenen, im Zeitmultiplexbetrieb arbeitenden, zentralen Prozessoreinheit, die eine zentrale 'Sendeeinrichtung zur Abgabe digitaler Steuersignale an die Meßeinrichtungen und eine zentrale Empfangseinrichtung für die digitalen Meßsignale der Meßeinrichtungen aufweist.The invention relates to an arrangement with several Measuring devices for the acquisition of physical quantities and for Conversion of these variables into digital electrical measurement signals, with each measuring device having a transmitting and a receiving device for digital signals, and with one connected to the measuring devices and operating in time division multiplex mode, central processor unit, which has a central 'transmitting device for outputting digital control signals to the measuring devices and has a central receiving device for the digital measuring signals of the measuring devices.

Bei einer bekannten Meßeinrichtung dieser Art (DE-OS 32 29 010) ist jede Meßeinrichtung über einen optischen Verbindungsleiter mit einem Sternkoppler verbunden, von dem ein einziger optischer Leiter zur zentralen Prozessoreinheit geführt ist; in dem Sternkoppler erfolgt eine Mischung und eine Trennung der Informationen zwischen der zentralen Prozessoreinheit und den Meßeinrichtungen.In a known measuring device of this type (DE-OS 32 29 010) each measuring device is connected to a star coupler via an optical connecting conductor, one of which is only one optical conductor is led to the central processing unit; mixing and separation takes place in the star coupler the information between the central processor unit and the measuring devices.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit mehreren Meßeinrichtungen und einer zentralen Prozessoreinheit vorzuschlagen, bei der sich die digitalen Meßsignale der Meßeinrichtungen in einfacher und zuverlässiger Weise zwischen den Meßeinrichtungen und der zentralen Prozessoreinheit übertragen lassen.The invention is based on the object of an arrangement with propose several measuring devices and a central processor unit in which the digital measurement signals of the Transferring measuring devices in a simple and reliable manner between the measuring devices and the central processor unit permit.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Anordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Sende- und Empfangseinrichtungen aller Meßeinrichtungen sowie die zentrale Sende-In order to achieve this object, the transmitting and receiving devices are according to the invention in an arrangement of the type specified at the outset all measuring devices as well as the central transmission

Kr 3 Sz / 26.09.1984Kr 3 Sz / 26.09.1984

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- 7 - - 7 - ^vpA 83 P 8 5 59 DE ^vp A 83 P 8 5 59 DE

und die zentrale Empfangseinrichtung in einem einzigen Stromkreis mit einer Betriebsspannungsquelle unter Bildung einer einzigen Stromschleife angeordnet.and the central receiving device in a single circuit with an operating voltage source to form a arranged single current loop.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgmäßen Anordnung besteht darin, daß ein Zeitmultiplexbetrieb zwischen den mehreren Meßeinrichtungen und der zentralen Prozessoreinheit unter Erzielung einer hohen Übertragungsqualität mit nur einer einzigen Stromschleife ermöglicht ist, wodurch zusätzliche Übertragungsleitungen eingespart werden.The main advantage of the arrangement according to the invention is there in that a time division multiplex operation between the plurality of measuring devices and the central processor unit is achieved a high transmission quality with only a single current loop is made possible, creating additional transmission lines can be saved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous configurations of the arrangement according to the invention emerge from the subclaims.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der gesamten erfindungsgemäßen Anordnung, inTo explain the invention, FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the entire invention Arrangement, in

Figur 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Meßeinrichtung, inFigure 2 is a block diagram of an embodiment of a Measuring device, in

Figur 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Meßeinrichtung gemäß Figur 2, inFIG. 3 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of a measuring device according to Figure 2, in

Figur 4 in schematischer Darstellung ein Umformer zur Umsetzung einer mechanischen Verschiebung in eine Kapazitätsänderung, inFIG. 4 shows a schematic representation of a converter for implementation a mechanical shift into a change in capacitance, in

Figur 5 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Operationen in einer Meßeinrichtung nach Figur 3, in Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Kapazitätserfassung, in
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erfassung von Widerstandsänderungen, inFIG. 5 shows a time diagram to illustrate the operations in a measuring device according to FIG. 3, in FIG. 6 an exemplary embodiment of an arrangement for capacitance detection, in
FIG. 7 shows a further exemplary embodiment for detecting changes in resistance, in

Figur 8 ein Schaltkreis zur Erfassung von Frequenzänderungen,FIG. 8 shows a circuit for detecting frequency changes,

■Figur 9 ein Schaltkreis zur Erfassung von Spannungsänderungen,■ Figure 9 shows a circuit for detecting voltage changes,

Figur 10 ein Diagramm zur Darstellung der zwischen den Meß-Figure 10 is a diagram showing the between the measurement

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einrichtungen und der zentralen Prozessoreinheit übertragenen Signale, indevices and the central processor unit transmitted signals in

Figur 11 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Impulse mit ihrem Stromniveau zwischen den Meßeinrichtungen und der zentralen Prozessoreinheit und inFIG. 11 shows a diagram to illustrate the pulses with their current level between the measuring devices and the central one Processor unit and in

Figur 12 ein Flußdiagramm zur Darstellung der Arbeitsweise einer Meßeinrichtung gezeigt.FIG. 12 shows a flow chart for illustrating the mode of operation of a measuring device.

Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung nach Figur 1 enthält einen Steuer- bzw. Uberwachungsraum CE, der mit einer zentralen Sendeeinrichtung und einer zentralen Empfangseinrichtung mit Optokopplern CES und CER ausgerüstet ist. In dem Steuerraum CE befinden sich auch eine zentrale Prozessoreinheit CPU, eine Stromversorgungseinrichtung E und andere Instrumente. Außerhalb des Steuerraumes CE befinden sich Meßeinrichtungen TR, bis TR , die später auch kurz als "Meßumformer" bezeichnet werden; diese Meßeinrichtungen erfassen verschiedene physikalische Größen und erzeugen digitale elektrische Meßsignale. Jede Meßeinrichtung enthält eine Sende- und Empfangseinrichtung sowie eine Steuereinrichtung μ-COM. Die Sende-und Empfangseinrichtungen jeder Meßeinrichtungen enthalten Optokoppler TRS und TRR. Die Steuereinrichtung μ-COM besteht aus einem Mikrocomputer oder einer ähnlichen Schaltungseinheit. Die zentrale Prozessoreinheit CPU und die Meßumformer TR, bis TR liegen in einer Stromschleife L, über die ein elektrischer Strom fließt. In der Figur 1 sind ferner Widerstände R, bis R₃, eine Schutzdiode D und ein Transistor TS gezeigt.The exemplary embodiment of the arrangement according to the invention according to FIG. 1 contains a control or monitoring room CE, which is equipped with a central transmitting device and a central receiving device with optocouplers CES and CER. A central processing unit CPU, a power supply device E and other instruments are also located in the control room CE. Outside the control room CE there are measuring devices TR to TR, which will later also be referred to as "measuring transducers" for short; these measuring devices record various physical quantities and generate digital electrical measurement signals. Each measuring device contains a transmitting and receiving device as well as a control device μ-COM. The transmitting and receiving devices of each measuring device contain optocouplers TRS and TRR. The control device μ-COM consists of a microcomputer or a similar circuit unit. The central processor unit CPU and the measuring transducers TR to TR are located in a current loop L through which an electric current flows. In FIG. 1, resistors R 1 to R ₃ , a protective diode D and a transistor TS are also shown.

Es wird nun zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Figur 1 angenommen, daß Daten zwischen der zentralen Prozessoreinheit und den Meßumformern im Halbduplexbetrieb seriell übertragen werden. Wenn Daten von der zentralen Prozessoreinheit zu den Meßumformern übertragen werden, sind alleIt is now assumed to explain the operation of the arrangement according to Figure 1 that data between the central The processor unit and the transducers are transmitted serially in half-duplex mode. When data from the central processing unit are transmitted to the transducers are all

35. sendenden Optokoppler TRS der Meßumformer abgeschaltet, um35. Sending optocoupler TRS switched off the transmitter to

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den Transistor TS in Empfangsbereitschaft zu schalten. Der sendende Optokoppler CES an der zentralen Prozessoreinheit CPU wird erregt und abgeschaltet gernäB den zu sendenden Daten. In diesem Zustand fließt ein von der Betriebsspannungsquelle E abgegebener Strom durch den Widerstand Rj. oder R₂, den Optokoppler CER, den Optokoppler TRR und den Transistor TS des einen Meßumformers. Danach fließt der Strom durch die anderen Meßumformer über die Stromschleife L und dann in die Betriebsspannungsquelle E an der zentralen Prozessoreinheit CPU zurück.to switch the transistor TS ready to receive. The transmitting optocoupler CES on the central processor unit CPU is energized and switched off according to the data to be sent. In this state, a current delivered by the operating voltage source E flows through the resistor Rj. Or R ₂ , the optocoupler CER, the optocoupler TRR and the transistor TS of one of the transducers. The current then flows through the other measuring transducers via the current loop L and then back into the operating voltage source E on the central processor unit CPU.

Wenn der sendende Optokoppler CES an der zentralen Prozessoreinheit CPU nicht erregt ist, dann fließt der elektrische Strom durch den Widerstand R, entlang des eben erwähnten Strompfades. Der dann fließende Strom I, in der Stromschleife läßt sich dann durch folgende Beziehung (1) beschreiben:When the sending optocoupler CES at the central processing unit CPU is not energized, then the electric current flows through the resistor R, along the just mentioned Current path. The then flowing current I, in the current loop can then be described by the following relationship (1):

j ₌ E-V₁- ((V₂₁ ,V₃₁) ..... (V_2n+ V_3n)) ₍₁₎ j ₌ EV ₁ - ((V ₂₁ , V ₃₁ ) ..... (V _{2n +} V _3n )) ₍₁₎

^Rl ^{+ R}L ^R l ^{+ R} L

wobei V, die Vorwärtsspannung der Licht emittierenden Diode des Optokopplers CER, V₂ die Vorwärtsspannung der Licht emittierenden Diode des empfangenden Optokopplers TRR im η-ten Meßumformer TR , V₃ die Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Transistors TS des η-ten Meßumformers TR ist, wenn der Transistor TS leitet; R. bezeichnet den Widerstand der Schleife.where V, the forward voltage of the light-emitting diode of the optocoupler CER, V _{2 is} the forward voltage of the light-emitting diode of the receiving optocoupler TRR in the η-th transmitter TR, V _{3 is} the voltage between the collector and emitter of the transistor TS of the η-th transmitter TR when transistor TS conducts; R. denotes the resistance of the loop.

Wenn der sendende Optokoppler CES erregt ist, dann fließt ein Strom (I-, + I₂) durch die Stromschleife, wobei sich I₂ durch folgende Gleichung (2) darstellen läßt:When the transmitting optocoupler CES is excited, a current (I-, + I ₂ ) flows through the current loop, where I _{2 can be represented} by the following equation (2):

E-V₀-V₁ ((V_{21 +} V₃₁) ₊ ... ₊ (V_{2n +} ² " R₊R EV ₀ -V ₁ ((V _{21 +} V ₃₁ ) ₊ ... ₊ (V _{2n +} ² "R ₊ R

^R2 ^{+ R}L ^R 2 ^{+ R} L

EPO COPVEPO COPV

- i - VPA .83 P 8 5 5 9 DE- i - VPA .83 P 8 5 5 9 DE

wobei V₀ der Spannungsabfall ist, der am Optokoppler CES auftritt. where V _{0 is} the voltage drop that occurs at the optocoupler CES.

Der durch die Stromschleife L fließende Strom wird durch den 5 Optokoppler TRR des Meßumformers TR-, erfaßt. Wird daher das niedrigste Signalniveau, das von dem Optokoppler TRR erfaßt werden kann, beispielsweise auf einen Wert I₂/² + ¹^ festgelegt, dann können die Daten der zentralen Prozessoreinheit CPU in binärer Form empfangen werden. Demzufolge ist das Niveau Ö, wenn ein Strom I, fließt, und 1, wenn der Strom ¹I ^{+ I}2 9^roß The current flowing through the current loop L is detected by the 5 optocoupler TRR of the measuring transducer TR-. Therefore, when the lowest signal level that can be detected by the optocoupler TRR, for example, to a value I ^_2/2 + ¹ ^ set, then the data may be the central processing unit CPU are received in binary form. Accordingly, the level east, when a current I flows, and 1, when the current I ^{1 + I} 2 9 ^Ross

Um Daten von jedem Meßumformer bzw. jeder Meßeinrichtung zur zentralen Prozessoreinheit CPU übertragen zu können, ist der Optokoppler CES an der zentralen Prozessoreinheit CPU abgeschaltet und der Optokoppler TRS des Meßumformers entsprechend den zu übertragenden Daten erregt oder aberregt. Ist der Optokoppler TRS nicht erregt, dann ist der durch die Stromschleife fließende elektrische Strom I, entsprechend der oben aufgeführten Gleichung (1).. Wenn der Optokoppler TRS erregt ist, wird die Stromschleife vom Transistor TS auf den Optokoppler TRS umgeschaltet. Der dann durch die so gebildete Stromschleife fließende Strom I, läßt sich durch folgende Gleichung (3) beschreiben:In order to be able to transfer data from every measuring transducer or measuring device to the central processor unit CPU, the Optocoupler CES on the central processor unit CPU switched off and the optocoupler TRS of the transmitter accordingly excited or de-excited the data to be transmitted. If the optocoupler TRS is not excited, then it is through the Current loop flowing electrical current I, according to equation (1) above .. When the optocoupler excites TRS is, the current loop is switched from the transistor TS to the optocoupler TRS. The then formed by the Current loop flowing current I can be determined by the following Describe equation (3):

■_τ ■ _τ ^E- ^Vl - (^(V21 ^{+ V}31> + " <^V2n ^{+ V}3n>j ^E - ^V l - ( ^(V 21 ^{+ V} 31> + "< ^V 2n ^{+ V} 3n> j

^Rl ^{+ R}3 ^{+ R}L
Dieser Strom wird durch den empfangenden Optokoppler CER an der zentralen Prozessoreinheit CPU erfaßt. Wird demzufolge das niedrigste Signalniveau, das von dem Optokoppler CER erfaßt werden kann, beispielsweise auf einen Wert (I₁ - I₃) / 2 festgelegt, dann werden die Daten der Meßeinrichtung in digitaler Form empfangen. Wenn der Strom I₁ ist, ergibt sich das Niveau Ö, während bei einem Strom I, das Niveau den Wert 1 hat, ^R l ^{+ R} 3 ^{+ R} L
This current is recorded by the receiving optocoupler CER on the central processing unit CPU. Accordingly, if the lowest signal level that can be detected by the optocoupler CER is set, for example, to a value (I _{1 -I 3} ) / 2, then the data from the measuring device is received in digital form. If the current I is ₁ , the level Ö results, while with a current I, the level has the value 1,

EPOCOPY JEPOCOPY J

- $ - VPA 83 P 8 5 5 9 DE- $ - VPA 83 P 8 5 5 9 DE

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind einer zentralen Prozessoreinheit η Meßeinrichtungen zugeordnet; es ist aber auch ein umgekehrtes Verhältnis möglich. Besonders kann auch ein System, das eine Meßeinrichtung bzw. einen Meßumformer und η zentrale Prozessoreinheiten aufweist, Daten in derselben Weise wie oben beschrieben übertragen.In the exemplary embodiment described, measuring devices are assigned to a central processor unit η; it is but the reverse is also possible. In particular, a system that has a measuring device or a measuring transducer and η having central processing units transferring data in the same manner as described above.

Die einzelnen Bausteine der Anordnung nach Figur 1 sind im folgenden ausführlich beschrieben.The individual components of the arrangement according to FIG. 1 are described in detail below.

Gemäß Figur 2 enthält eine Meßeinrichtung TR eine Erfassungsschaltung 1, eine Wählerschaltung 2, einen Kapazitäts-Frequen-z-Umsetzer 3, einen Zähler 4, einen Zeitgebern, einen Taktgeber 6, einen Mikroprozessor 7, der im folgenden auch als μ-COM arithmetische Einheit bezeichnet wird, eine Übertragungsschaltung 8, eine Betriebsspannungsversorgung 9 und eine Bedienungseinrichtung 10.According to Figure 2, a measuring device TR contains a detection circuit 1, a selector circuit 2, a capacitance-frequency-z converter 3, a counter 4, a timer, a clock 6, a microprocessor 7, which is also referred to below as a μ-COM arithmetic unit is designated, a transmission circuit 8, an operating voltage supply 9 and an operating device 10.

Diese Meßeinrichtung ist ausführlicher in Figur 3 dargestellt, in der die Erfassungsschaltung 1 zwei Kondensatoren C₁ und C₂ enthält. Die Wählerschaltung 2 besteht aus einer Analogschalteinrichtung SW2 mit zwei Analogschaltern SW21 und SW22 zum Anwählen des Kondensators C, bzw. C₂; außerdem enthält die Wählerschaltung 2 einen Temperaturmeßkondensator C und einen Thermistor R . Die Analogschalteinrichtung ist ein CMOS-Bauelement. Der Kapazitäts-Frequenz-Umsetzer 3 enthält eine weitere Analogschalteinrichtung SWl mit Analogschaltern SW 11 und SW12 und ein. D-Flip-Flop Ql. Die Schalteinrichtung SWl bestimmt, ob die Kondensatoren C, und C₂ wieder geladen oder entladen werden; sie dient auch dazu, das D-Flip-Flop Ql mit einem Clear- oder Reset-Signal zu beaufschlagen. Wenn die Spannung am Kondensator C, oder C₂ einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird das D-Flip-Flop Ql gesetzt und nach einer gewissen Zeit zurückgesetzt, die durch eine Zeitkonstante bestimmt ist,die von dem Widerstand R~ und der Kapazität C- abhängt. ₍₉^«——This measuring device is shown in more detail in FIG. 3, in which the detection circuit 1 contains two capacitors C ₁ and C ₂ . The selector circuit 2 consists of an analog switching device SW2 with two analog switches SW21 and SW22 for selecting the capacitor C or C ₂ ; the selector circuit 2 also includes a temperature measuring capacitor C and a thermistor R. The analog switching device is a CMOS component. The capacitance-frequency converter 3 contains a further analog switching device SW1 with analog switches SW 11 and SW12 and a. D flip-flop Ql. The switching device SWl determines whether the capacitors C _{1 and C 2 are} charged or discharged again; it also serves to apply a clear or reset signal to the D flip-flop Ql. If the voltage on the capacitor C, or C ₂ exceeds a predetermined threshold value, the D flip-flop Ql is set and reset after a certain time, which is determined by a time constant that depends on the resistance R ~ and the capacitance C- . ₍₉ ^ «——

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- 7 - VPA 83 P 8 5 5 9 DE - 7 - VPA 83 P 8 5 5 9 DE

Wenn ein übliches D-Flip-Flop benutzt wird, dann ist ein Schaltkreis wie ein Schmitt-Trigger in der vorangehenden Stufe erforderlich, um den Schwellenwert festzustellen. Wenn hingegen ein D-Flip-Flop vom CMOS-Typ eingesetzt wird, dann ist ein derartiger Schaltkreis nicht erforderlich, sondern es kann die schaltende Spannung direkt als Schwellenspannung benutzt werden.If a standard D-type flip-flop is used, then circuitry like a Schmitt trigger is in the foregoing Level required to determine the threshold. If, on the other hand, a D-type flip-flop of the CMOS type is used, then Such a circuit is not required, but the switching voltage can be used directly as the threshold voltage will.

Der Zeitgeber 5, der von zwei Zählern CT2 und CT3 gebildet ist, beginnt mit dem Zählen von von dem Taktgeber 6 abgegebenen Impulsen bei Beendigung des Reset-Signals P03 der arithmetischen Einheit 7 und beendet das Zählen dieser Impulse auf ein Zähl-Ende-Signals eines Zählers CTl 4. Die arithmetische Einheit 7 ist mit den Taktimpulsen des Taktgebers 6 beaufschlagt und führt verschiedene Steuerfunktionen und arithmetische Operationen aus. Beispielsweise gibt sie Betriebsartwahlsignale POl oder P02 an die Analogschalteinrichtung SW2 in der Wählerschaltung 2 ab, um eine Messung mit dem Kondensator Cl, mit dem Kondensator C2 oder eine Temperaturmessung zu wählen. Im letzteren Falle wird eine Messung unter Benutzung des Thermistors R und des Kondensators C₅ durchgeführt. Wenn keine Messung erfolgt, gibt die arithmetische Einheit 7 ein Reset-Signal P03 an den Zähler 4 und den Zeitgeber 5, um sie zurückzusetzen. Während der Messung hört das Reset-Signal P03 auf, wodurch der Zählvorgang ablaufen kann. Zur selben Zeit empfängt die arithmetische Einheit 7 das Zähl-Ende-Signal vom Zähler 4 als ein Interrupt-Signal IRQ und liest die Ausgangsgröße des Zeitgebers 5 über die Anschlüsse PI0-PI15 zur Bestimmung arithmetischer Zusammenhänge ein. Die Bedienungseinrichtung 10 zum Anzeigen der Operation Nullpunkt oder Bereich einstellen, eine Bereitschaftsschaltung 11 zum intermittierenden Ansteuern des Taktgebers 6 oder der arithmetischen Einheit 7 selbst, um den Verbrauch von elektrischer Energie zu verringern, die Übertragungsschaltung 8 mit Sende- und Empfangseinrichtung und andere Einrichtungen sind eben-The timer 5, which is formed by two counters CT2 and CT3, starts counting the pulses emitted by the clock 6 upon termination of the reset signal P03 of the arithmetic unit 7 and stops counting these pulses in response to a counting end signal Counter CTl 4. The arithmetic unit 7 receives the clock pulses from the clock generator 6 and carries out various control functions and arithmetic operations. For example, it emits operating mode selection signals PO1 or P02 to the analog switching device SW2 in the selector circuit 2 in order to select a measurement with the capacitor C1, with the capacitor C2 or a temperature measurement. In the latter case, a measurement is made using the thermistor R and the capacitor C ₅ . When no measurement is made, the arithmetic unit 7 outputs a reset signal P03 to the counter 4 and the timer 5 to reset them. During the measurement, the reset signal P03 stops, which means that the counting process can begin. At the same time, the arithmetic unit 7 receives the end-of-count signal from the counter 4 as an interrupt signal IRQ and reads in the output variable of the timer 5 via the connections PI0-PI15 to determine arithmetic relationships. The operating device 10 for displaying the operation to set zero point or range, a standby circuit 11 for intermittent control of the clock 6 or the arithmetic unit 7 itself in order to reduce the consumption of electrical energy, the transmission circuit 8 with transmitting and receiving device and other devices are flat -

EPO COPY Ca EPO COPY Approx

- * - VPA 33 p. ₈ 5 5 9 DE - * - VPA 33 p. ₈ 5 5 9 DE

falls mit der arithmetischen Einheit 7 verbunden. Die Betriebsspannungsquelle 9 liefert die Betriebsenergie für diese Komponenten. if connected to the arithmetic unit 7. The operating voltage source 9 provides the operating energy for these components.

In diesem Ausführungsbeispiel setzt jede MeBeinrichtung eine mechanische Verschiebung, die durch einen Druck hervorgerufen sein kann, in eine entsprechende Kapazität um, die dann in eine digitale Form zur Messung der Verschiebung umgesetzt wird. Wie diese Messung der Verschiebung im Prinzip erfolgt, ist im folgenden anhand der Figur 4 näher dargestellt.In this exemplary embodiment, each measuring device uses one mechanical displacement, which can be caused by a pressure, into a corresponding capacity, which is then converted into a digital form for measuring the displacement is implemented. How this measurement of the displacement is done in principle, is shown in more detail below with reference to FIG.

Wie die Figur 4A erkennen läßt, ist eine bewegliche Elektrode EL., zwischen zwei festen Elektroden ELp angeordnet und nach links oder rechts bewegbar, wie dies durch den Pfeil R angedeutet ist, wobei diese Bewegung durch einen Druck hervorgerufen ist. Wenn die Kapazität CA, zwischen einer der festen Elektroden und der beweglichen Elektrode anwächst, nimmt die Kapazität CA₂ zwischen der anderen festen Elektrode und der beweglichen Elektrode entsprechend ab und umgekehrt. Dies bedeutet, daS sich die Kapazitäten in komplementärer Weise verändern. Nimmt man eine Elektrodenfläche von S an und unterstellt eine Dielektrizitätskonstante £ , und nimmt man ferner an, daß der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode EL. und jeder der festen Elektroden EL,- d ist, .dann sind die Kapazitäten CA-, und CA₂ bei einer Verschiebung der beweglichen Elektrode ELw um ^d in die strichliert gezeichnete Lage durch folgende Gleichungen (4) und (5) gegeben:As can be seen from FIG. 4A, a movable electrode EL., Is arranged between two fixed electrodes ELp and can be moved to the left or right, as indicated by the arrow R, this movement being brought about by pressure. _{When the capacitance CA 1} between one of the fixed electrodes and the movable electrode increases, the capacitance CA 2 between the other fixed electrode and the movable electrode decreases accordingly, and vice versa. This means that the capacities change in a complementary way. If one assumes an electrode area of S and a dielectric constant ε , and one further assumes that the distance between the movable electrode EL. and each of the fixed electrodes EL, - d, .then the capacitances CA-, and CA _{2 are given} by the following equations (4) and (5) when the movable electrode ELw is displaced by ^ d into the position shown in broken lines:

CA₁ = £ A/d - Δ d (4)CA ₁ = £ A / d - Δ d (4)

CA₂ = £ A/d + 4 d (5)CA ₂ = £ A / d + 4 d (5)

Bildet man die Summe und die Differenz dieser Kapazitätswerte, und darüberhinaus das Verhältnis von Differenz zur Summe, dann ergibt sich über
CA₁ + CA₂ = £. A . 2 d/d² - Δά² If one forms the sum and the difference of these capacitance values, and in addition the ratio of the difference to the sum, then the result is about
CA ₁ + CA ₂ = £. A. 2 d / d ² - Δά ²

CA₁ - CA₉ = f. A. 24d/d² - Δά² CA ₁ - CA ₉ = f. A. 24d / d ² - Δά ²

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Gleichung (6)Equation (6)

CA₁ - CA₂ / CA₁ + CA₂ = -Ad / d (6)CA ₁ - CA ₂ / CA ₁ + CA ₂ = -Ad / d (6)

Auf diese Weise kann die Verschiebung Δ d aus Gleichung (7) 5In this way, the shift Δ d can be calculated from equation (7) 5

CA₁ - CA₂ / CA₁ + CA₂ (7)CA ₁ - CA ₂ / CA ₁ + CA ₂ (7)

abgeleitet werden.be derived.

In der Figur 4B sind zwei feste Elektroden ELp und eine bewegliche Elektrode EL., in der dargestellten Weise angeordnet. Es ist angenommen, daß die bewegliche Elektrode ELy um Δ d in die strichliert dargestellte Lage aufgrund eines äußeren Druckes verschoben worden ist. In diesem Falle ist die Kapazität CA-, unverändert, während sich die Kapazität CA₂ verändert hat.In FIG. 4B, two fixed electrodes ELp and one movable electrode EL. Are arranged as shown. It is assumed that the movable electrode ELy has been displaced by Δ d into the position shown by dashed lines due to an external pressure. In this case, the capacity CA- is unchanged, while the capacity CA _{2 has} changed.

Unter Berücksichtigung obiger Darlegungen lassen sich dann diese Werte wie folgt bestimmen:
20Taking into account the above, these values can then be determined as follows:
20th

CA₁ = £ A / d (8)CA ₁ = £ A / d (8)

CA₂ = £ A / d + A d (9)CA ₂ = £ A / d + A d (9)

Die Differenz zwischen ihnen ist dann gegeben durch folgende Gleichung (10)The difference between them is then given by the following equation (10)

CA₁ - CA₂ = £-A . Δ d / d (d + Δ d) (10)CA ₁ - CA ₂ = £ -A. Δ d / d (d + Δ d) (10)

Das Verhältnis der Kapazität CA₂ zu (CA₁ - CA₂) läßt sich dann durch folgende Beziehung (11) ausdrucken:The ratio of the capacity CA ₂ to (CA ₁ - CA ₂ ) can then be expressed by the following relationship (11):

CA₁ - CA₂ / CA₂ = Δ d / d (11)CA ₁ - CA ₂ / CA ₂ = Δ d / d (11)

Auf diese Weise kann die Verschiebung Δ d mittels einer Änderung elektrostatischer Kapazitätswerte, ermittelt werden.In this way, the shift Δ d can be determined by means of a change in electrostatic capacitance values.

Wie aus diesen Gleichungen zu ersehen ist, hängt die Verschiebung allein von den Kapazitätswerten ab. Sie ist daher weder von der Dielektrizitätskonstanten zwischen benachbarten Elektroden noch von Streukapazitäten abhängig. Daher ist es möglich, eine mechanische Verschiebung sehr genau mittels Kapazitäten zu messen.As can be seen from these equations, the shift depends solely on the capacitance values. She is therefore neither on the dielectric constant between adjacent electrodes nor on stray capacitances. Therefore, it is possible to measure a mechanical displacement very precisely by means of capacitances.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 5 ist im folgenden eine ^ Messung auf der Basis des oben beschriebenen Prinzips beschrieben: With reference to FIGS. 3 and 5, a measurement based on the principle described above is described below:

Zu Anfang liefert die arithmetische Einheit 7 weder das Betriebsartwahlsignal POl noch P02, und der Zähler (CTl) 4 und der Zeitgeber 5 sind durch das Reset-Signal P03 zurückgestellt. Wenn ein Signal, wie in Figur 5a gezeigt, als Anwählsignal für den Kondensator C, erzeugt wird, und das Reset-Signal P03 wie in Figur 5b dargestellt beendet wird, bildet sich ein Strompfad über den Kondensator C,, die Schalter SW21 und SWIl und den Widerstand R zur Betriebsspannungsquelle V_DQ, wodurch der Kondensator C, , wie in Figur 5c gezeigt, aufgeladen wird.At the beginning, the arithmetic unit 7 supplies neither the mode selection signal POl nor P02, and the counter (CTl) 4 and the timer 5 are reset by the reset signal P03. If a signal, as shown in FIG. 5a, is generated as a selection signal for the capacitor C, and the reset signal P03 is terminated as shown in FIG the resistor R to the operating voltage _source V DQ, whereby the capacitor C, as shown in Figure 5c, is charged.

Wenn die Spannung am Kondensator C, die Schwellspannung Vj_H des Flip-Flop Ql nach einer Zeit t, überschreitet, dann wird das Flip-Flop Ql gesetzt und liefert ein Ausgangssignal an seinem Ausgang Q. Dieses Ausgangssignal wird der Analogschalteinrichtung SWl sowie dem Widerstand R~ und dem Kondensator.If the voltage on the capacitor C, the threshold voltage _{Vj H of} the flip-flop Ql after a time t, then the flip-flop Ql is set and provides an output signal at its output Q. This output signal is the analog switching device SWl and the resistor R. ~ and the capacitor.

C~ zugeführt. Daraufhin wird der Analogschalter SW12 geöffnet, um einen Ladekreis aus dem Widerstand R_f und dem Kondensator C- zu bilden. Zu dieser Zeit ist der Kontakt des Schalters SWIl in die strichliert gezeichnete' Lage umgelegt, um den Kondensator C, zu entladen. Wenn die Spannung am Kondensator C_f einen vorgegebenen Wert nach einer vorgegebenen Zeit t , wie in Figur 5e gezeigt, angenommen hat, erzeugt das D-Flip-Flop Ql einen Ausgangsimpuls mit der gegebenen Zeitdauer t , wie dies in Figur 5d gezeigt ist. Durch das Zurücksetzen des Flip-Flops Ql wird die Analogschalteinrichtung SWl betätigt, um den Schalter SW12 wieder in die in Figur 3 gezeigteC ~ supplied. The analog switch SW12 is then opened to form a charging circuit from the resistor R _f and the capacitor C-. At this time, the contact of the switch SWI1 is switched to the position shown in dashed lines in order to discharge the capacitor C. When the voltage across the capacitor C _f has assumed a predetermined value after a predetermined time t, as shown in FIG. 5e, the D flip-flop Ql generates an output pulse with the given time duration t, as shown in FIG. 5d. By resetting the flip-flop Ql, the analog switching device SWl is actuated to switch the switch SW12 back to that shown in FIG

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Stellung zurückzubringen, wodurch ein Entladekreis für den Kondensator C_f gebildet wird. Da die Zeit t, von der Größe des Kondensators C, und des Widerstandes R abhängt, erzeugt der Flip-Flop Ql Impulse mit einer Frequenz, die der Kapazität des Kondensators C, proportional ist. Diese Impulse werden durch den Zähler 4 gezählt, und es wird - wann immer ein vorbestimmter Wert erreicht ist - ein Zähl-Ende-Impuls gemäß Figur 5f erzeugt, um den Zählzustand des Zeitgebers 5 festzuhalten, wie dies in Figur 5g gezeigt ist. Der Zeitgeber 5 beginnt mit dem Zählen der Taktimpulse des Zeitgebers 6 beim Aufhören des Reset-Signals P03. Der gewonnene Zählerstand wird in die arithmetische Einheit 7 über die Eingänge PIO bis PI15 eingegeben und von der Einheit 7 eingelesen, der das Zähl-Ende-Signal vom Zähler 4 zugeführt ist. Die Schwellspannung V_TH des Flip-Flop Ql ist gegeben durch folgende Gleichung (12):Bring back position, whereby a discharge circuit for the capacitor C _{f is} formed. Since the time t depends on the size of the capacitor C and the resistor R, the flip-flop Ql generates pulses with a frequency which is proportional to the capacitance of the capacitor C. These pulses are counted by the counter 4, and whenever a predetermined value is reached, an end-of-count pulse according to FIG. 5f is generated in order to record the counting status of the timer 5, as shown in FIG. 5g. The timer 5 starts counting the clock pulses of the timer 6 when the reset signal P03 ceases. The counter reading obtained is entered into the arithmetic unit 7 via the inputs PIO to PI15 and read in by the unit 7, to which the counting end signal from the counter 4 is fed. The threshold voltage V _{TH of} the flip-flop Ql is given by the following equation (12):

- t, / RC₁
^VTH = ^VDD < ! - ^{e } (12)} - t, / RC ₁
^V TH = ^V DD <! - ^{e} (12)}

Daher ist die Zeit t-, (vgl. Figur 5d), die zum Wiederaufladen des Kondensators C, erforderlich ist, gegeben durch folgende Gleichung (13):Therefore, the time t-, (see FIG. 5d), is required for recharging of the capacitor C, is given by the following Equation (13):

I₁ = -RC₁ log_e (1 - V_TH/V_DD) (13) I ₁ = -RC ₁ log _e (1 - V _TH / V _DD ) (13)

Ähnlich ergibt sich die Zeit t durch folgende Beziehung (14):Similarly, the time t results from the following relationship (14):

t_c = -R_f C_f log_e (1 - V_TH/V_DD) (14)t _c = -R _f C _f log _e (1 - V _TH / V _DD ) (14)

Da die Werte R« und C_f bekannt sind, ist der Wert t konstant. Daher kann die Zeit T, zum Wiederaufladen und Entladen des Kondensators C, durch Zählen der Taktimpulse des Taktgebers 6 während η Operationen des Wiederaufladens und Entladens des Kondensators C, ermittelt werden, wobei dies unter Benutzung des Ausgangssignals des Zeitgebers 5 erfolgt. WieSince the values R «and C _{f are} known, the value t is constant. Therefore, the time T to recharge and discharge the capacitor C can be determined by counting the clock pulses of the clock 6 during η operations of recharging and discharging the capacitor C using the output of the timer 5 . As

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VPA 83 P 8 5 5 9 DE.VPA 83 P 8 5 5 9 DE.

Wie anhand der Figur 5d verständlich wird, sind die Wiederaufladevorgänge η-mal bewirkt, während die Entladevorgänge (n - l)-mal durchgeführt werden. Daher ist die Zeit T₁ zum Wiederaufladen und Entladen gegeben durch folgende Gleichung (15):As can be understood from FIG. 5d, the recharging processes are carried out η times, while the discharging processes are carried out (n − 1) times. Therefore, the time T ₁ for recharging and discharging is given by the following equation (15):

T₁ = η tjL + (n - 1) t_Q (15)T ₁ = η tjL + (n - 1) t _Q (15)

Der Grund, warum die Messungen η-mal durchgeführt werden, liegt darin, daß die Auflösung der Zähler CT2 und CT3 vergrößert werden soll. Die Zahl η ist in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz des Taktgebers 6, dem Widerstandswert des Widerstandes R, der Kapazität des Kondensators C, und andere Faktoren geeignet gewählt.The reason why the measurements are made η times is that the resolution of the counters CT2 and CT3 increases shall be. The number η is a function of the output frequency of the clock generator 6, the resistance value of the Resistance R, the capacitance of the capacitor C, and other factors are chosen appropriately.

..

Nachdem so die Zeit T,, die zum Wiederaufladen und Entladen des Kondensators C-, in der beschriebenen Weise erforderlich ist, ermittelt-worden ist, liefert die arithmetische Einheit 7 das Signal POl oder P02, um den Schalter SW21 auf Messung mit dem Kondensator C^ zu schalten, damit die entsprechende Zeit T„ zum Wiederaufladen und Entladen des Kondensators C₂ in genau derselben Weise wie oben im Zusammenhang mit dem Kondensator C, beschrieben durchgeführt werden kann. Das Zeitdiagramm für diesen Fall ist in der rechten Hälfte der Figur 5 gezeigt. Die Zeit T₂ wird auf dieselben Beweise wie oben anhand der Gleichung (15) ermittelt und ergibt sich zu Gleichung (16):After the time T 1, which is required for recharging and discharging the capacitor C, in the manner described, has been determined, the arithmetic unit 7 supplies the signal PO1 or P02 to the switch SW21 to measure with the capacitor C. ^ to switch so that the corresponding time T "for recharging and discharging the capacitor C ₂ can be carried out in exactly the same way as described above in connection with the capacitor C. The timing diagram for this case is shown in the right half of FIG. The time T ₂ is determined based on the same evidence as above using equation (15) and results in equation (16):

T₂ = η t₂ + (n - 1) t_c (16)T ₂ = η t ₂ + (n - 1) t _c (16)

Die arithmetische Einheit 7 führt folgende arithmetische Operationen auf der Basis der Gleichungen (15) und (16) durch:The arithmetic unit 7 performs the following arithmetic operations based on the equations (15) and (16) by:

copy $ copy $

- W- VPA 83 P 8 5 59DE- W- VPA 83 P 8 5 59DE

T₁ + τ₂ - 2 (η - ι) t_c )T ₁ + τ ₂ - 2 (η - ι) t _c )

= - R (C_{1 +} C₂) log_e (1 - V_TH/V_DD) ] = - R (C _{1 +} C ₂ ) log _e (1 - V _TH / V _DD ) ]

T₁ - T₂ = - R (C₁ - C₂) log_e (1 - V_TH/V_DD) ) ₍₁₇₎ T ₁ - T ₂ = - R (C ₁ - C ₂ ) log _e (1 - V _TH / V _DD )) ₍₁₇₎

^Tl - ^T2^Cl " ^C2 ) ^T l - ^T 2 ^C l " ^C 2 )

T₁ + T₂ - 2 (n - 1) t_c C₁ + C₂ jT ₁ + T ₂ - 2 (n - 1) t _c C ₁ + C ₂ j

Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, entspricht der obige Ausdruck der mechanischen Verschiebung, so daß diese durch die arithmetische Einheit 7 durch die obigen Rechenoperationen ermittelt werden kann.As can be seen from the foregoing description, the above expression corresponds to the mechanical displacement, so that this can be determined by the arithmetic unit 7 through the above arithmetic operations.

Bei der oben beschriebenen Ausführung sind die Kapazitätswerte der C₁ und C₂ komplementär verändert, um eine mecha- nische Verschiebung aufgrund eines Differenzdruckes Δ Ρ zu erhalten. Angemerkt sei, daß die Erfindung in ähnlicher Weise auch bei Anordnungen Anwendung finden kann, in denen ein Kondensators C₂ einen festen Wert und der andere Kondensator C₁ variabel ist, wie dies in Figur 6 gezeigt ist. Bei dieser Ausführung läßt sich ein Druck P besser als ein Differenzdruck Δ P messen, und die anzuwendende Formel läßt sich aufgrund ähnlicher Überlegungen wie oben dargelegt gewinnen:In the embodiment described above, the capacitance _{values of C 1} and C _{2 are} changed in a complementary manner in order to obtain a mechanical shift due to a differential pressure Δ Ρ. It should be noted that the invention can be applied in a similar manner to arrangements in which one capacitor C _{2 is} fixed and the other capacitor C _{1 is} variable, as shown in FIG. In this embodiment, a pressure P can be measured better than a differential pressure Δ P, and the formula to be used can be obtained on the basis of considerations similar to those set out above:

C₁ - C₅ T₁ - Ti₅ C ₁ - C ₅ T ₁ - Ti ₅

25P= -i ± = ± έ (18)25P = -i ± = ± έ (18)

C₂ T₂ - ( η - 1) t_c C ₂ T ₂ - (η - 1) t _c

Obwohl bei den oben beschriebenen Fällen eine mechanische Verschiebung in elektrostatische Kapazitätswerte zu Meßzwecken umgesetzt worden ist, ist es auch möglich, eine Verschiebung in Widerstandsänderungen, Frequenzänderungen oder Spannungsänderungen umzuformen.Although in the cases described above a mechanical shift in electrostatic capacitance values for measurement purposes has been implemented, it is also possible to change in resistance, frequency changes or a shift To transform voltage changes.

Mit den Schaltungen nach den Figuren 7a bis 7c werden Messungen auf exakt demselben Prinzip wie die Schaltungen mit Kon-With the circuits according to Figures 7a to 7c, measurements are made on exactly the same principle as the circuits with contact

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- ι/ - VPA 83 P 8 5 5 9 DE- ι / - VPA 83 P 8 5 5 9 DE

densatoren durchgeführt; diese Schaltungen machen Gebrauch von der Tatsache, daß die Zeit zum Wiederaufladen und Entladen eines Kondensators dem Produkt eines Widerstandswertes und einer Kapazität proportional ist, um einen Widerstandswert zu erhalten.capacitors carried out; these circuits make use from the fact that the time it takes to recharge and discharge a capacitor is the product of a resistance and is proportional to a capacitance to obtain a resistance value.

In der Schaltung gemäß Figur 7a liegt der Kontakt des Schalters SW21 zunächst auf der Seite des Widerstandes R , um dieIn the circuit according to Figure 7a, the contact of the switch SW21 is initially on the side of the resistor R, around the

Zeit T, für das wiederholte Wiederaufladen und Entladen des Kondensators C, zu messen, genaugenommen die Zeit zu erfassen, die zum Wiederaufladen dieses Kondensators erforderlich ist. Danach wird der Schalter auf die Seite von R umgelegt und die Zeit T₂ für das Wiederaufladen und Entladen des Kondensators in derselben Weise gemessen. Der Wert des Wider-Standes R wird aufgrund folgender Gleichung (19) ermittelt:To measure the time T, for the repeated recharging and discharging of the capacitor C, in fact to detect the time it takes to recharge this capacitor. The switch is then thrown to the side of R and the time T ₂ for recharging and discharging the capacitor is measured in the same way. The value of the resistance R is determined on the basis of the following equation (19):

_{cc (19)(19)}

R_c T₂ - (η - D t_c R _c T ₂ - (η - D t _c

Die Schaltung gemäß Figur 7c ist äquivalent zum oben behandelten Beispiel mit dem Unterschied, daß die Kondensatoren C₁ und C₂ durch Widerstände R₁ und R₂ ersetzt sind. Der mathematische Ausdruck ist daher durch folgende Gleichung (20) gegeben:The circuit according to FIG. 7c is equivalent to the example dealt with above with the difference that the capacitors C ₁ and C _{2 are} replaced by resistors R ₁ and R ₂ . The mathematical expression is therefore given by the following equation (20):

T "T* RRT "T * RR

i ?. = —1 £ ₍₂₀₎ i?. = —1 £ ₍₂₀₎

T₁ + T₂ - 2 (n - 1) t_c R₁ + R₂ T ₁ + T ₂ - 2 (n - 1) t _c R ₁ + R ₂

Die Figur 7b zeigt eine Schaltung, in der die der Leitungswiderstand R-, veränderlich ist. Der Schalter SW21 wird nacheinander zwischen drei Schaltstellungen bewegt, um Zeiten T₁, T₂ und T, zum Wiederaufladen und Entladen des Kondensators zu ermitteln, wenn R + 2R₁, 2R₁ und R entsprechend hinzugefügt werden. Der Wert des Widerstandes R, folgende Gleichung (-21) ausdrücken:FIG. 7b shows a circuit in which the line resistance R- is variable. The switch SW21 is successively moved between three switch positions to determine times T ₁ , T ₂ and T 1 for recharging and discharging the capacitor when R + 2R ₁ , 2R ₁ and R are added accordingly. The value of the resistance R, express the following equation (-21):

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^τι " ^T2 ₌ ^Rx (21) ^τ ι " ^T 2 ₌ ^R x (21)

T₃-Cn- 1) t_c " R_c T ₃ -Cn- 1) t _c "R _c

Die Schaltung nach Figur 8 zeigt eine Erfassungsschaltung, die einen Kapazitätswert in eine Frequenz umsetzt. Daher entbehrt die Anordnung nach Figur 8 eines Kapazitäts-Frequenz-Umsetzers, wie er bei dem Beispiel nach Figur 3 erforderlich ist. Der Ausgang der Erfassungsschaltung ist in geeigneter Weise verstärkt und dem Zähler zugeführt. Die Zeit T, die der Zähler benötigt, um Impulse einer vorgegebenen Anzahl N zu zählen, wird gemessen. Dann ergibt sich die Frequenz aus der Beziehung N/T.The circuit according to FIG. 8 shows a detection circuit which converts a capacitance value into a frequency. Therefore lacking the arrangement according to FIG. 8 of a capacitance-to-frequency converter, as required in the example according to FIG is. The output of the detection circuit is appropriately amplified and fed to the counter. The time T that the Counter required to count pulses of a given number N is measured. Then the frequency results from the Relationship N / T.

In Figur 9 ist eine Schaltung gezeigt, die einen Kapazitätswert in eine Spannung E, umsetzt. Die Schaltung weist einen Kondensator C. auf, der zum Wiederaufladen mit einem konstanten Strom L beaufschlagt ist. Die sich an den Kondensator C. einstellende Spannung ist einem Eingang eines Operationsverstärkers 0P2 zugeführt. Eine Eingangsspannung E₁ wird durch einen anderen Operationsverstärker OPl verstärkt und dann dem anderen Eingang des Operationsverstärkers 0P2 zugeführt. Wenn die Spannung am Ausgang des Verstärkers OPl die Spannung am Kondensator C. übersteigt, dann wird Flip-Flop Ql gesetzt. Der Kondensator C, wird in bestimmter Weise entladen, wodurch sich das Eingangsspannungsniveau E-, verändert. Dadurch ist es möglich, ein Signal entsprechend der Spannung auf einer Zeit-Basis zu gewinnen. Es ist angenommen, daS, wenn sich der Schalter SW21 in der dargestellten Lage befindet, das Ausgangssignal gemessen an einer Zeitbasis T₂ ist, und daß, wenn der Schalter in der anderen Lage ist, das Ausgangssignal T, ist. Dann ist der Spannungswert E, durch folgende Beziehung (22) gegebenFIG. 9 shows a circuit which converts a capacitance value into a voltage E.sub.1. The circuit has a capacitor C. to which a constant current L is applied for recharging. The voltage established across the capacitor C. is fed to an input of an operational amplifier 0P2. An input voltage E ₁ is amplified by another operational amplifier OP1 and then fed to the other input of the operational amplifier 0P2. If the voltage at the output of the amplifier OPl exceeds the voltage on the capacitor C., then flip-flop Ql is set. The capacitor C i is discharged in a certain way, as a result of which the input voltage level E i changes. Thereby it is possible to obtain a signal corresponding to the voltage on a time basis. It is assumed that when switch SW21 is in the position shown, the output is measured on a time base T ₂ and that when the switch is in the other position, the output is T i. Then the voltage value E i is given by the following relation (22)

^T2 - ^Tl = ^Cx / ¹A · ^El ^{(22) T} 2 - ^T l = ^C x / ¹ A ^E l ⁽²²⁾

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wobei E, die gemessene Spannung, I^ der dem Kondensator zugeführte Strom und C die Kapazität des Kondensators C. ist.where E, the measured voltage, I ^ that applied to the capacitor Current and C is the capacitance of capacitor C.

Eine Übertragung der Daten zwischen in der beschriebenen Weise aufgebauten Meßeinrichtungen und der zentralen Prozessoreinheit wird im folgenden ausführlich beschrieben.A transfer of the data between in the described Manned measuring devices and the central processing unit is described in detail below.

Die Figur 10 zeigt die Formen von Informationen, die zwischen den Meßumformern TR und der zentralen Prozessoreinheit CPU ausgetauscht werden. Die Figur 10a veranschaulicht die Steuerinformationen CS, und die Figur 10b zeigt die Form einer von der zentralen Prozessoreinheit CPU an die Meßumformer TR zur Einstellung des Meßbereiches übertragenen Information (ein Betriebszustand, der im folgenden als Bereichseinstellbetrieb bezeichnet wird). Die Figur 10c veranschaulicht die Form abgegebener Informationen, wenn gemessene Daten von einem Meßumformer TR zu der zentralen Prozessoreinheit CPU übertragen werden (im folgenden Meßbetrieb genannt). Und schließlich zeigt die Figur 1Od die von einem Meßumformer TR an die zentrale Prozessoreinheit CPU zurückgesandte Informationen zur Bestätigung, daß der Meßumformer von der zentralen Prozessoreinheit CPU eine Information zur Einstellung des Meßbereichs empfangen hat.Figure 10 shows the forms of information that exist between the measuring transducers TR and the central processing unit CPU are exchanged. Figure 10a illustrates the control information CS, and Figure 10b shows the form of a from the central processor unit CPU to the measuring transducer TR information transmitted to set the measuring range (an operating state, hereinafter referred to as range setting mode referred to as). FIG. 10c illustrates the form of information given when measured data from a measuring transducer TR to the central processor unit CPU (hereinafter referred to as measuring mode). and Finally, FIG. 10d shows the information sent back by a measuring transducer TR to the central processor unit CPU to confirm that the transmitter from the central processor unit CPU has received information about setting the Range has received.

Figur 10a ist zu entnehmen, daß die Steuerinformation CS aus einem Startbit ST (D_n), einer Adresseninformation AD (D, -τ D^) zur Bezeichnung der Identifizierungsnummer jedes " Meßumformers, einer Betriebsartinformation MO (D.) zur Bezeichnung des Meßbetriebes oder des Bereichseinstellbetriebes, einer Hilfsinformation AU (D₅, D_ß) und aus einem Paritätsbit PA (D₇) besteht. Während des Meßbetriebes wird die in Figur 10a gezeigte Information von der zentralen Prozessoreinheit CPU zu den Meßumformern TR übertragen, und eine Steuerinformation CS und Meßdaten DA entsprechend der Figur 10c werden von einen adressierten Meßumformer TR zu der zentralenFIG. 10a shows that the control information CS consists of a start bit ST (D _n ), address information AD (D, -τ D ^) to designate the identification number of each "transducer, operating mode information MO (D.) to designate the measuring operation or of the range setting operation, auxiliary information AU (D ₅ , D _ß ) and a parity bit PA (D ₇ ) During the measuring operation, the information shown in Figure Measurement data DA according to FIG. 10c are sent from an addressed measuring transducer TR to the central one

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Prozessoreinheit CPU übertragen. Alle Meßumformer TR werden gleichzeitig aufgrund des Startbits ST in Betrieb gesetzt und diejenigen Meßumformer TR, die nicht adressiert sind, werden nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeit abgeschaltet. In der Betriebsart für Bereichseinstellung werden die Meßumformer TR zunächst mit der Steuerinformation CS entsprechend der Figur 10b beaufschlagt. Nach dem Ablauf eines vorbestimmten Zeitraums wird eine der Nullpunktinformation ZE einschließlich des Startbits ST und der Bereichsinformation SP gegeben, worauf der jeweilige Meßumformer, wie in Figur 1Od gezeigt, Informationen an die zentrale Prozessoreinheit CPU sendet, um dieser mitzuteilen, daß die Bereichseinstellinformation richtig erhalten worden ist.Processor unit CPU transferred. All measuring transducers TR are put into operation at the same time due to the start bit ST and those measuring transducers TR which are not addressed are switched off after a predetermined time has elapsed. In the The measuring transducers TR are initially operated with the control information CS according to the figure 10b applied. After a predetermined period of time, one of the zero point information items ZE is inclusive of the start bit ST and the range information SP, whereupon the respective transducer, as shown in Figure 10d, Sends information to the central processing unit CPU to notify it that the area setting information is correct has been received.

In Figur 11 sind die oben beschriebenen, ausgesendeten Informationen in bezug auf das jeweilige Stromniveau dargestellt. Insbesondere durch Festlegung des Stromniveaus I, in der Mitte des Bereichs von 4 bis 20 mA, beispielsweise auf 12 mA, und Festlegen von I, + I₂ auf 20 mA und I-, auf 4 mA können 'Informationen sicher zwischen der zentralen Prozessoreinheit und jeder Meßeinrichtung bzw. Meßumformer übertragen werden.In FIG. 11, the above-described, transmitted information is shown in relation to the respective current level. In particular, by setting the current level I, in the middle of the range from 4 to 20 mA, for example to 12 mA, and setting I, + I ₂ to 20 mA and I-, to 4 mA, information can be securely between the central processor unit and be transmitted to each measuring device or transducer.

Die Funktionsweise jeder Meßeinrichtung oder jedes Meßumformers mit der Sende- und Empfangseinrichtung ist nun im einzelnen in bezug auf die Figur 12 näher erläutert. Mit dem Schritt 1 wird der Prozessor μ-COM in einer Meßeinrichtung durch ein Interrupt- bzw. Startsignal der zentralen Prozessoreinheit CPU gestartet. Im Schritt 2 liest der Prozessor ein Steuersignal, wie dies in Figur 10 dargestellt ist, und stellt in einem folgenden Schritt 3 fest, ob der Prozessor durch das Eingangssignal adressiert ist. Falls er nicht adressiert ist, wird zum Schritt ,16 gesprungen, wodurch der Prozessor für eine vorbestimmte Zeit daran gehindert wird, ein für einen anderen Meßumformer bestimmte Bereichseinstellsignal aufzunehmen. Dann erfolgt Schritt 17, in dem der Pro-The mode of operation of each measuring device or each measuring transducer with the transmitting and receiving device is now detailed explained in more detail with reference to FIG. With step 1 the processor is μ-COM in a measuring device started by an interrupt or start signal from the central processor unit CPU. In step 2 the processor reads a control signal, as shown in Figure 10, and determines in a subsequent step 3 whether the processor is addressed by the input signal. If it is not addressed, a jump is made to step 16, whereby the Processor is prevented for a predetermined time from receiving a range setting signal intended for another transmitter to record. Then step 17 takes place, in which the pro

- ie - VPA 83 P 8 5 5 9 DE- ie - VPA 83 P 8 5 5 9 DE

zessor auf das Auftreten des nächsten Interrupt-Signals wartet.processor is waiting for the next interrupt signal to appear.

Falls der Prozessor des Meßumformers andererseits feststellt, , daß er durch das Signal gemäß Schritt 3 adressiert ist, dann wird zu Schritt 4 weitergegangen und geprüft, ob die Betriebsart für Messung gewählt ist oder nicht. Falls nicht, dann liest der μ-COM-Prozessor Eingangsdaten zur Bereichsänderung (Schritt 18) und liefert Daten zurück an die zentrale Prozessoreinheit CPU zur Bestätigung, daß die Daten empfangen worden sind (Schritt 19). Dann erfolgt Schritt 15, mit dem der Eingang anderer Eingangsdaten festgestellt wird, um einen irrtümlichen Betrieb aufgrund solcher Eingangsdaten zu vermeiden. Danach wird der Prozessor über einen vorbestimmten Zeitraum (Schritt 16) untätig gehalten und erwartet dann das nächste Unterbrechungssignal (Schritt 17). Wenn bei dem Schritt 4 die Betriebsart Messung vorliegt, dann wird das Ergebnis vorheriger Rechenoperationen seriell übertragen (Schritt 5). Dann wird im Schritt 6 die Lade- und Entladezeit T, gemessen, um die vorbestimmten Rechenoperationen durchzuführen. Dann wird - falls erforderlich - die Zeit T₂ ebenfalls gemessen (Schritt 7). Die erforderlichen Rechenoperationen werden im Schritt 8 durchgeführt auf der Basis der vorgenannten Messungen. Dann werden Änderungen des NuIlpunktes und des Meßbe-reichs durchgeführt (Schritt 9). In ähnlicher Weise werden danach im Schritt 10 Änderungen des Nullpunktes und des Meßbereichs in Bezug auf die Temperatur durchgeführt. Anschließend justiert der μ-COM-Prözessor den Meßbereich aufgrund einer schon von der zentralen Prozessoreinheit CPU empfangenen Bereichseinstellinfdrmation (Schritt 11). Falls irgendeine Dämpfung vorliegt, wird eine Rechenoperation zur Kompensierung einer solchen Dämpfung durchgeführt (Schritt 12). Dann wird im Schritt 13 die Temperatur gemessen und im Schritt 14 die Betriebsspannung. Danach wird im Schritt 15 ein weiteres Eingangssignal geprüft, um eine FehlfunktionIf, on the other hand, the processor of the measuring transducer determines that it has been addressed by the signal according to step 3, then the process proceeds to step 4 and a check is made as to whether the operating mode for measurement is selected or not. If not, then the μ-COM processor reads input data for area change (step 18) and supplies data back to the central processing unit CPU to confirm that the data has been received (step 19). Then step 15 takes place, with which the input of other input data is determined in order to avoid erroneous operation due to such input data. Thereafter, the processor is kept inactive for a predetermined period of time (step 16) and then awaits the next interrupt signal (step 17). If the measurement mode is present in step 4, then the result of previous arithmetic operations is transmitted serially (step 5). Then, in step 6, the charging and discharging time T 1 is measured to perform the predetermined arithmetic operations. Then, if necessary, the time T _{2 is} also measured (step 7). The necessary arithmetic operations are carried out in step 8 on the basis of the aforementioned measurements. Changes to the zero point and the measuring range are then carried out (step 9). In a similar manner, changes in the zero point and the measuring range with respect to the temperature are then carried out in step 10. The μ-COM processor then adjusts the measuring range on the basis of a range setting information already received from the central processor unit CPU (step 11). If there is any attenuation, an arithmetic operation to compensate for such attenuation is performed (step 12). Then in step 13 the temperature is measured and in step 14 the operating voltage. Then, in step 15, another input signal is checked for a malfunction

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\ ' VPA 83 P 8 5 5 9 DE \ 'VPA 83 P 8 5 5 9 DE

des Meßumformers aufgrund eines weiteren solchen Eingangssignals zu verhindern. Anschließend wird der Prozessor für eine vorbestimmte Zeit untätig (Schritt 16) und erwartet im Schritt 17 das nächste Interrupt-Signal.of the transmitter due to another such input signal. Then the processor for idle for a predetermined time (step 16) and awaits the next interrupt signal in step 17.

IjIj

12 ρ ia\jren
3 Ansprüche12 ρ ia \ jren
3 claims

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Claims (3)

PatentansprücheClaims Anordnung mit mehreren Meßeinrichtungen zur Erfassung physikalischer Größen und zur Umsetzung dieser Größen in digitale Meßsignale, wobei jede Meßeinrichtung eine Sehde- und eine Empfangseinrichtung für digitale Signale enthält, und mit einer mit den Meßeinrichtungen verbundenen, im Zeitmultiplexbetrieb arbeitenden, zentralen Prozessoreinheit, die eine zentrale Sendeeinrichtung zur Abgabe digitaler Steuersignale an die Meßeinrichtungen und eine zentrale Empfangseinrichtung für die digitalen Meßsignale der Meßeinrichtungen aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Sende- und Empfangseinrichtungen (TRS, TRR) aller Meßeinrichtungen (TR^ ... TR_n) sowie die zentrale Sende- und die zentrale Empfangseinrichtung (CES, CER) in einem einzigen Stromkreis mit einer Betriebsspannungsquelle (E) unter Bildung einer einzigen Stromschleife (L) angeordnet sind.Arrangement with several measuring devices for the acquisition of physical quantities and for converting these quantities into digital measuring signals, each measuring device containing a visual and a receiving device for digital signals, and with a central processor unit connected to the measuring devices and operating in time-division multiplexing, which is a central transmitting device for the delivery of digital control signals to the measuring devices and a central receiving device for the digital measuring signals of the measuring devices, characterized in that the transmitting and receiving devices (TRS, TRR) of all measuring devices (TR ^ ... TR _n ) as well as the central transmitting and the central receiving device (CES, CER) are arranged in a single circuit with an operating voltage source (E) forming a single current loop (L). 2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die zentrale Empfangseinrichtung ein Auskopplungselement (CER) enthält, mit dem eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (R,) und einer Reihenschaltung aus einem steuerbaren elektronischen Schalter (CES) der zentralen Sendeeinrichtung und einem weiteren Widerstand (R₂)-. in Reihe liegt.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the central receiving device contains a decoupling element (CER) with which a parallel circuit of a resistor (R,) and a series circuit of a controllable electronic switch (CES) of the central transmitting device and a further resistor (R ₂ ) -. is in series. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , daß in jeder Meßeinrichtung (TR·^ ... TR_n) mit einem Auskoppelelement (TRR) der Empfangseinrichtung eine Parallelschaltung aus einem steuerbaren, elektronischen Schaltorgan (TS) und einer Reihenschaltung aus einem zusätzlichen Widerstand (R₃) und einem zusätzlichen steuerbaren, elektronischen Schalter (TRS) in Reihe liegt.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that in each measuring device (TR · ^ ... TR _n ) with a decoupling element (TRR) of the receiving device, a parallel circuit of a controllable, electronic switching element (TS) and a series circuit of one additional resistor (R ₃ ) and an additional controllable electronic switch (TRS) is in series. EPO COPYEPO COPY