DE3540170A1 - Schaltung zur umwandlung eines periodischen nutzsignals in ein gleichspannungssignal - Google Patents
Schaltung zur umwandlung eines periodischen nutzsignals in ein gleichspannungssignalInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umwandlung
eines periodischen Nutzsignals mit überlagerten Störsignalen
in ein Gleichspannungssignal, dessen Amplitude
derjenigen des Nutzsignals entspricht, mit
- einem Eingangsverstärker,
- einem dem Eingangsverstärker nachgeschalteten zweiten Verstärker,
- zwei Abtast- und Halteschaltungen, die so gesteuert sind, daß eine von ihnen das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder positiven Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält, und daß die andere das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder negativen Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält,
- und einem Differenzverstärker, der an seinen Eingängen die Signale der Abtast- und Halteschaltungen empfängt und das Gleichspannungssignal erzeugt.
- einem Eingangsverstärker,
- einem dem Eingangsverstärker nachgeschalteten zweiten Verstärker,
- zwei Abtast- und Halteschaltungen, die so gesteuert sind, daß eine von ihnen das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder positiven Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält, und daß die andere das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder negativen Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält,
- und einem Differenzverstärker, der an seinen Eingängen die Signale der Abtast- und Halteschaltungen empfängt und das Gleichspannungssignal erzeugt.
Es gibt Anwendungsfälle, bei denen ein elektrisches
Nutzsignal die Form eines rechteckförmigen Kurvenzuges
bekannter Frequenz und Phasenlage hat, wobei die physikalische
Information, die ausgewertet werden soll, die
Amplitude dieses Rechtecksignals (Nutzsignals) bestimmt.
Beispielsweise werden bei magnetisch-induktiven Durchflußmessern
Elektromagnete mit gepulstem Gleichstrom
erregt. Durch das Magnetfeld der Elektromagnete fließt
die Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gemessen werden
soll, hindurch. Wenn diese Flüssigkeit elektrisch leitend
ist, wird an Elektroden, die mit der Flüssigkeit
in Berührung stehen, eine Potentialdifferenz erzeugt,
die der Durchflußmenge pro Zeiteinheit proportional
ist. Es ist bekannt, die Magnete eines Durchflußmessers
mit gepulstem Gleichstrom zu erregen (DE-PS 26 19 971).
Das an den Elektroden abgenommene Nutzsignal wird zwei
Abtast- und Halteschaltungen zugeführt, die eine Abtastung
jeweils in unterschiedlichen Phasen des Nutzsignals
durchführen. Die Ausgangssignale der Abtast-
und Halteschaltungen werden den beiden Eingängen eines
Differenzverstärkers zugeführt, der daraus das Gleichspannungssignal
erzeugt.
Die Amplitude des Nutzsignals beträgt häufig nur wenige
µV. Die Auswertung solch kleiner Spannungen ist im allgemeinen
im industriellen Umfeld, wo eine Vielzahl
elektrischer Störungen vorliegt, schwierig. Bei Durchflußmessern
ergeben sich zusätzlich Störsignale durch
weitere Ursachen, die im hydraulischen Bereich liegen
und die zu Potentialsprüngen an den Elektroden führen
können. Die Signalauswertung wird weiterhin noch dadurch
erschwert, daß die Impulssignale eine relativ
niedrige Frequenz haben und daß die Signalquelle, die
das Nutzsignal erzeugt, in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit
der Flüssigkeit mehr oder weniger hochohmig
ist. Darüber hinaus treten bei den erwähnten Schaltungen
intern verursachte Störungen in Form induktiver
Spannungsspitzen, die während der Umschaltphase des
Erregerstroms in die Elektrodenschleife induziert werden,
auf.
Bei den bekannten Schaltungen werden zur Eliminierung
der Störsignale verschiedene Maßnahmen angewandt: Um
ein an den Elektroden auftretendes Gleichspannungssignal
von der Auswerteschaltung fernzuhalten, werden
die Elektroden kapazitiv an die Auswerteschaltung angekoppelt.
Durch Einschwingvorgänge des Magnetstromes
treten induktive Störspitzen und Wirbelstromeffekte
auf. Der Einfluß dieser Störsignale wird eliminiert,
indem nach dem Umschalten des Magnetstromes die Beendigung
der Einschaltvorgänge abgewartet und erst dann
die Nutzspannung in eine der Abtast- und Halteschaltungen
übernommen wird. Der Einfluß stationärer Störungen
aus dem Kraftnetz kann durch geeignete Frequenzwahl der
Taktfrequenz des Nutzsignals und durch Filterschaltungen
unterdrückt werden. Zur Unterdrückung transienter
Störungen können ebenfalls Filter eingesetzt werden.
Ein Problem bildet weiterhin die Verstärkerdrift, die
mit einer Gegenkopplungsschaltung des zweiten Verstärkers
weitgehend beseitigt werden kann.
Die bekannten Schaltungen erfordern eine Reihe von Kompensations-,
Filter- und Schutzmaßnahmen, um den Einfluß
der Störspannungen zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die es
ermöglicht, auf einfache Weise aus dem störungsüberlagerten
Nutzsignal ein Gleichspannungssignal zu
bilden.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin,
daß eine die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen
summierende Summiereinrichtung vorgesehen
ist, deren Signal von dem Ausgang des Eingangsverstärkers
subtrahiert wird, und daß das Subtraktionsergebnis
nach Verstärkung durch den zweiten Verstärker den Abtast-
und Halteschaltungen zugeführt wird.
Nach der Erfindung erfolgt die Signalaufbereitung mit
getasteter Gegenkopplung. Dies bedeutet, daß die
Gleichspannungssignale, die von den Abtast- und Halteschaltungen
geliefert werden und deren Vorzeichen einander
entgegengesetzt sind, summiert werden, und daß
das Summensignal von dem Netzsignal subtrahiert wird.
Aus dem potentialfreien Nutzsignal wird im Eingangsverstärker
ein Signal aus abwechselnd positiven und
negativen Impulsen gebildet. Wenn die positiven und die
negativen Impulse gleiche Höhen haben, ist das Ausgangssignal
der Summiereinrichtung Null. In diesem Fall ist
der Gegenkopplungszweig unwirksam. Treten dagegen Potentialverschiebungen
auf, dann kompensieren sich die Signale
der Abbtast- und Halteschaltungen nicht mehr und
die Summiereinrichtung erzeugt ein Gegenkopplungssignal,
durch das der Einfluß der Potentialverschiebung
verringert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Gegenkopplungsschaltung wird
der Einfluß einer Gleichspannungskomponente in dem
Nutzsignal reduziert. Ebenso werden auch kurzzeitige
Störungsüberlagerungen eliminiert.
Das Prinzip der Erfindung besteht im wesentlichen darin,
das Nutzsignal zu verstärken, während die überlagernden
Störsignale nicht verstärkt oder abgeschwächt
werden.
Die erfindungsgemäße Schaltung besitzt hinsichtlich
Arbeitspunkt, Störunterdrückung und Übersteuerungsabstand
ein sehr stabiles Meßverhalten.
Die Anwendung der Schaltung ist nicht auf Signale mit
rechteckigen Signalverläufen beschränkt, sondern es
können auch andere sich periodisch ändernde Signalverläufe
ausgewertet werden.
Obwohl die Erfindung sich besonders für die Signalauswertung
bei einem induktiven Durchflußmesser eignet,
dessen Magnete mit gepulstem Gleichstrom erregt werden,
ist sie aber auch auf anderen Gebieten einsetzbar, bei
denen ein Nutzsignal mit geringer Amplitude ausgewertet
werden soll, beispielsweise bei den Meßstreifen.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines induktiven
Durchflußmessers näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der Auswerteschaltung
des Durchflußmessers und
Fig. 2 ein Impulsdiagramm des Erregerstromes der
Magnetspulen mit Darstellungen der zeitlichen
Abtastbereiche, in denen die Abtast- und
Halteschaltungen geladen werden.
Bei der dargestellten Schaltung erzeugt ein Taktgenerator
10 Impulse, die einer Stromquelle 11 zugeführt
werden. Die Stromquelle 11 liefert im Takt der
Impulse einen Strom an die Erregerspule 12, die in dem
(nicht dargestellten) Flüssigkeitskanal ein Magnetfeld
erzeugt. Im Bereich der Flüssigkeit sind an den Wänden
des Kanals Elektroden 13 angeordnet, zwischen denen
eine Spannung entsteht, wenn in dem Magnetfeld eine
elektrisch leitende Flüssigkeit fließt. Jede der Elektroden
13 ist über einen Kondensator 14 mit einem Eingang
des Eingangsverstärkers V E verbunden. Am Ausgang
des Eingangsverstärkers V E entsteht die Spannung U 1,
die an den Plus-Eingang des Subtrahierers S gelegt wird.
Der Ausgang des Substrahierers ist mit dem Eingang des
zweiten Verstärkers V 2 verbunden, dessen Ausgangsspannung
mit U 3 bezeichnet ist. Diese Ausgangsspannung wird
den Eingängen der beiden Abtast- und Halteschaltungen
SH 1 und SH 2 zugeführt. Die Ausgangsspannungen der Abtast-
und Halteschaltung SH 1 ist mit U und diejenige der
Abtast- und Halteschaltung SH 2 mit U 5 bezeichnet. Die
Spannungen U 4 und U 5 werden den beiden Eingängen eines
Differenzverstärkers V D zugeführt. Das Ausgangssignal
U 7 des Differenzverstärkers V D wird einer Mittelwertbildungsschaltung
aus einem RC-Netzwerk 15 zugeführt.
Die Spannungen U 4 und U 5 werden einer Summiereinrichtung
A zugeführt, deren Ausgangssignal mit U 6 bezeichnet
ist. Dieses Ausgangssignal wird nach Verstärkung
durch den dritten Verstärker V 3 dem Subtrahendeneingang
des Subtrahierers S als Signal U 2 zugeführt.
Die Abtast- und Halteschaltungen SH 1 und SH 2 werden von
dem Taktgenerator 10 so gesteuert, daß SH 1 das Signal
U 3 jeweils in der zweiten Hälfte der positiven Halbwelle
des Erregerstromes i der Erregerspule 12 übernimmt
und festhält, während SH 2 das Signal U 3 in der
zweiten Hälfte der negativen Halbwelle des Erregerstromes
i übernimmt und festhält. Die an den Elektroden
13 erzeugten Impulse, die das Nutzsignal bilden, sind
gleichphasig mit den in Fig. 2 dargestellten Erregerstromimpulsen.
In Fig. 2 bezeichnet t 1 den Bereich, in
dem SH 1 die Spannung U 3 übernimmt, und t 2 bezeichnet
die Zeit, in der SH 2 die Spannung U 3 aufnimmt. Jede der
Abtast- und Halteschaltungen hält den aufgenommenen
Wert so lange fest, bis nach einer Periodendauer ein
neuer Wert aufgenommen wird.
Der Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers V 2 ist
mit μ und derjenige des dritten Verstärkers V 3 mit β
bezeichnet. Im vorliegenden Fall wird zur Vereinfachung
angenommen, daß β = 1 ist. Dabei ergeben sich die folgenden
Verhältnisse:
(1) Funktion im stationären Zustand
a)U 1 = 0
U 2 bis U 7 = 0 b)U 1 = Rechteckspannung mit der Amplitude U 1 m
U 3 = Rechteckspannung mit der Amplitude U 1 m × μ
U 4 = Gleichspannung + U 1 m × μ
U 5 = Gleichspannung - U 1 m × μ
U 6 = U 4 + U 5 = 0
U 2 = 0
U 7 = U 4 - U 5 = 2 × U 1 m × μ
U 2 bis U 7 = 0 b)U 1 = Rechteckspannung mit der Amplitude U 1 m
U 3 = Rechteckspannung mit der Amplitude U 1 m × μ
U 4 = Gleichspannung + U 1 m × μ
U 5 = Gleichspannung - U 1 m × μ
U 6 = U 4 + U 5 = 0
U 2 = 0
U 7 = U 4 - U 5 = 2 × U 1 m × μ
Es ist zu erkennen, daß im stationären und störspannungsfreien
Zustand keine Gegenkopplung wirksam
ist (U 2 = 0), so daß die Eingangsspannung mit
der Geradeausverstärkung μ verstärkt wird und anschließend
in eine Gleichspannung entsprechend der
doppelten Rechteckamplitude verwandelt wird. Dabei
sei die Schaltung so demensioniert, daß die
Abtast- und Halteschaltungen SH 1 und SH 2 und der
Differenzverstärker V D am Ausgang Verstärkung 1
besitzen.
c)U 1 = Gleichspannung mit dem Wert U 10 (Offset)
U 3 = U 4 = U 5
U 2 = U 6 (β = 1 angenommen)
U 2 = 2 · U 3
(U 10 - 2 U 3) · μ = U 3
U 10 · μ - 2 U 3 · μ = U 3
U 3 · (1 + 2μ) = U 10 · μ
U 3 = U 4 = U 5
U 2 = U 6 (β = 1 angenommen)
U 2 = 2 · U 3
(U 10 - 2 U 3) · μ = U 3
U 10 · μ - 2 U 3 · μ = U 3
U 3 · (1 + 2μ) = U 10 · μ
Hieraus ist die Wirkung als Offset-Regler erkennbar.
Ohne Rückkopplung würden die Offsetspannungen
U 3 = U 4 = U 5 = U 10 · μ betragen, während sie mit
der beschriebenen Schaltung ≅ U 3 = U 4 = U 5 = U-10 / 2
betragen. Das bedeutet, daß eine Nutzsignalverstärkung
und den Faktor μ bei gleichzeitiger
Verringerung der Offsetspannung stattfindet.
d)Reaktion auf eine kurzzeitige Störung. Eine solche Störung soll der Einfachheit halber als eine vorübergehend vorhandene Offsetspannung angesehen werden.
d)Reaktion auf eine kurzzeitige Störung. Eine solche Störung soll der Einfachheit halber als eine vorübergehend vorhandene Offsetspannung angesehen werden.
Aus c) ist erkennbar, daß die Amplitude der
Störung um den Gegenkopplungsfaktor 1/1 + M (oder
1/1 + 2 μ je nach Dauer der Störung) reduziert
wird. Damit wird auch die Gefahr, daß die Anordnung
wegen Überschreiten der Aussteuerungsgrenze
ihre Meßfähigkeit verliert, um den
gleichen Faktor reduziert.
e)Reaktion auf stationäre Störspannungen.
e)Reaktion auf stationäre Störspannungen.
Dem Nutzsignal ständig überlagerte Störspannungen,
etwa Störungen aus dem Kraftnetz oder
hochfrequente Störspannungen, werden gegebenenfalls
um den Gegenkopplungsfaktor 1/1 + μ reduziert, da
für solche Wechselspannungen der Gegenkopplungskreis
während eines Tastvorganges immer
geschlossen ist. Wenn z. B. der Eingangsspannung
U 1 = 0 eine sinusförmige Wechselspannung der
Amplitude U sin überlagert ist, so wird während
der Schließzeit von SH 1 U 4 = U 3, während U 5
während dieser Zeit nur eine Gleichspannung, in
diesem Fall 0, sein kann, da ja der Schalter
von SH 2 geöffnet ist.
Damit wird U 2 = U 4 = U 3
(U sin - U 3) · μ = U 3
U sin · μ - U 3 · μ = U 3
U 3 · (1 + μ) = U sin · μ
(U sin - U 3) · μ = U 3
U sin · μ - U 3 · μ = U 3
U 3 · (1 + μ) = U sin · μ
Wiederum ergibt sich, daß die Störamplitude für
die Spannungen U 3, U 4, U 5 und U 7 um den Gegenkopplungsfaktor
reduziert wird.
(2) Sprungantwort
Um zu zeigen, wie die Schaltung auf eine plötzlich
angelegte rechteckförmige Nutzspannung reagiert,
müssen die einzelnen Spannungen schrittweise berechnet
werden.
Das Ergebnis dieser Berechnung zeigt, daß die
Spannungen nach einer Potenzreihe zunehmen, wobei
der Exponent der Anzahl der halben Perioden der
Rechteckspannung entspricht, die seit Sprungbeginn
vergangen sind. Die Ausgangsspannung der Schaltung
U 7 hat dann die Form:
U 7 = 2U 1 m · (μ′ + μ′2 + μ′3 + . -. . μ′ n ) (1).
Die nach einer bestimmten Anzahl n vorhandene
Spannung U 7 entspricht der Partialsumme der
Potenzreihe
Die Reihe konvergiert gegen
Gleichung (3) zeigt, daß U 7 gegen den stationären
Wert gemäß (1) b) konvergiert.
Gleichung (2) ergibt eine ungefähre Zeitkonstante,
die dem Produkt aus dem Verstärkungsfaktor μ und
der Periodendauer des Rechtecksignals entspricht.
Im Gegensatz zu konventionellen Gegenkopplungsschaltungen
besitzt die beschriebene Schaltung eine Verstärkung
vom Faktor μ und nicht von
während Störfaktoren wie Rauschen, Driften, Offset und
dynamische Störimpulse durch die Verstärkung
μ′ ≅ 1/1 + μ β verstärkt werden, also bei b = 1 nicht
verstärkt werden.
Claims (5)
1. Schaltung zur Umwandlung eines periodischen Nutzsignals
mit überlagerten Störsignalen in ein
Gleichspannungssignal, dessen Amplitude derjenigen
des Nutzsignals entspricht, mit
- einem Eingangsverstärker,
- einem dem Eingangsverstärker nachgeschalteten zweiten Verstärker,
- zwei Abtast- und Halteschaltungen, die so gesteuert sind, daß eine von ihnen das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder positiven Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält, und daß die anderen das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder negativen Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält,
- und einem Differenzverstärker, der an seinem Eingängen die Signale der Abtast- und Halteschaltungen empfängt und das Gleichspannungssignal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß eine die Ausgangssignale (U 4, U 5) der Abtast- und Halteschaltungen (SH 1, SH 2) summierende Summiereinrichtung (A) vorgesehen ist, deren Signal von dem Ausgangssignal (U 1) des Eingangsverstärkers (V E ) subtrahiert wird, und daß das Subtraktionsergebnis nach Verstärkung durch den zweiten Verstärker (V 2) den Abtast- und Halteschaltungen (SH 1, SH 2) zugeführt wird.
- einem Eingangsverstärker,
- einem dem Eingangsverstärker nachgeschalteten zweiten Verstärker,
- zwei Abtast- und Halteschaltungen, die so gesteuert sind, daß eine von ihnen das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder positiven Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält, und daß die anderen das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers bei jeder negativen Halbwelle des Nutzsignals übernimmt und festhält,
- und einem Differenzverstärker, der an seinem Eingängen die Signale der Abtast- und Halteschaltungen empfängt und das Gleichspannungssignal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß eine die Ausgangssignale (U 4, U 5) der Abtast- und Halteschaltungen (SH 1, SH 2) summierende Summiereinrichtung (A) vorgesehen ist, deren Signal von dem Ausgangssignal (U 1) des Eingangsverstärkers (V E ) subtrahiert wird, und daß das Subtraktionsergebnis nach Verstärkung durch den zweiten Verstärker (V 2) den Abtast- und Halteschaltungen (SH 1, SH 2) zugeführt wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal (U 6) der Summiereinrichtung
(A) durch einen dritten Verstärker (V 3) verstärkt
wird.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärkungsfaktor (μ) des zweiten
Verstärkers (V 2) veränderbar ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor
(μ) des zweiten Verstärkers (V 2) mindestens 1 beträgt.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor
(β) des dritten Verstärkers (V 3) Eins beträgt.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853540170 DE3540170A1 (de) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | Schaltung zur umwandlung eines periodischen nutzsignals in ein gleichspannungssignal |
US06/928,961 US4733191A (en) | 1985-11-13 | 1986-11-10 | Circuit for changing a periodic intelligence signal into a direct-current signal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19853540170 DE3540170A1 (de) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | Schaltung zur umwandlung eines periodischen nutzsignals in ein gleichspannungssignal |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3540170A1 true DE3540170A1 (de) | 1987-05-21 |
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Family
ID=6285819
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853540170 Granted DE3540170A1 (de) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | Schaltung zur umwandlung eines periodischen nutzsignals in ein gleichspannungssignal |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4733191A (de) |
DE (1) | DE3540170A1 (de) |
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