DE704559C

DE704559C - Schaltungsanordnung zur Bildung eines Differential- oder Integralwertes zu gegebenen elektrischen Veraenderungen

Info

Publication number: DE704559C
Application number: DEI54598D
Authority: DE
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1935-03-21
Filing date: 1936-03-18
Publication date: 1941-04-02
Also published as: BE427517A; FR806802A; US2232076A; NL46071C; GB493843A; FR836536A; GB453887A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines Differential- oder Integralwertes zu gegebenen elektrischen Veränderungen unter Verwendung von eine Kapazität oder Induktivität enthaltenden Integrations- oder Differentiationsschaltungen.

Die integrierenden und differenzierenden Mittel sollen insbesondere in Verbindung mit

to elektrischen Anzeigevorrichtungen des Drukkes in einem Maschinenzylinder oder anderer Meßgrößen, wie Ventilbewegungen, Druckschwankungen in einer Brennstoffleitung ο. dgl., verwendet werden.

Es sind 'bereits Verfahren bekannt, derartige Größen dadurch anzuzeigen und zu messen, daß diese in elektrische Ströme oder Spannungen umgewandelt werden, die dann einen Oszillographen betätigen, der sichtbar oder photographisch die Bewegungs- oder Druckänderungen wiedergibt. In manchen Fällen werden die elektrischen Ströme oder Spannungen dem Oszillographen direkt zugeleitet, da die Aufzeichnung die gleiche Dimension haben muß wie die von dem Indikator hergeleitete Spannung.

Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls, der von dem Gasdruck eines Zylinders beeinflußt wird, wobei die in dem Kristall entwickelte elektrische Spannung proportional dem Gasdruck ist. Soll also der Gasdruck angezeigt werden, so können die Spannungen ohne weiteres einem Oszillographen zugeführt werden.

In anderen Fällen liegt jedoch die Aufgäbe vor, eine Größe anzuzeigen, deren Dimension sich von der der abgeleiteten Spannung unterscheidet. Ein solcher Fall liegt z. B. vor, wenn eine durch den Druck einer Maschine beeinflußte Membran relativ zu einem Elektromagnet bewegt wird und wo die in den Spulen des Elektromagnets entwickelte Spannung, wenn der Luftraum zwischen dem Anker und dem Magnet nicht übermäßig klein ist, proportional der Geschwindig'keit der Membran und folglich der Geschwindigkeit der Druckveränderung ist. Wenn in diesem Falle der Druck der Maschine angezeigt werden soll, muß die von den Spulen des Elektromagnets hergeleitete Spannung über die Zeit integriert werden.

In weiteren Fällen kann vielleicht die Erzeugung einer Spannungskurve erwünscht sein, deren Form das Differential einer gegebenen Wellenform bildet. Wenn man beispielsweise Bewegungen eines Körpers in der

Dimension der Geschwindigkeit aufzeichnen will und der Indikator Spannungen erzeugt, die proportional der Verschiebung des Körpers sind, liegt ein solcher Fall vor. Es sind bisher zur Differentiation oder Integration Stromkreise verwendet worcfe^, die aus verschiedenartigen Kombinationeil' von Widerständen und Impedanzen, wie z. B. Kondensatoren oder Induktivitäten, bestanden. Diese Kreise ergeben an ihren Ausgangsklemmen eine Spannung, die gleich dem Differential oder Integral der angelegten Spannung ist. Es lassen sich Kondensatoren und Induktivitäten herstellen, die im \vesentliehen als reine Widerstände wirken, wenn keine merkliche Belastung an den Klemmen des Differentiations- bzw. Integrationskreises liegt. Wird jedoch eine merkliche Belastung angelegt, so treten Fehler auf, die dadurch bedingt sind, daß die an den Impedanzelementen, wie z. B. einem Kondensator, liegenden Spannungen nicht mehr einen vernachlässigbar kleinen Wert besitzen. Mit den bekannten Schaltungen war daher bei größerer Belastung eine einwandfreie Differentiation oder Integration nicht möglich.

Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß an die Differentiations- oder Integrationsschaltung ein Verstärker angeschaltet ist, der auf den Eingangskreis derart rückgekoppelt ist, daß die Rückkopplungsspannung die durch die Integrations- bzw. Differentiationsschaltung verursachten Fehler kompensiert.

Im nachstehenden sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben, in welcher gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen tragen.

Die Tatsache, daß das Alaß der Druckänderung oder der Lageänderung (oder Geschwindigkeit) eines Körpers proportional der von der Vorrichtung, wie z. B. einem Telephonhörer, gelieferten Spannung ist.

kann bekanntlich mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:

dP dt

~. kv

hier ist P der Druck zur Zeit t\ ν ist die Spannung und /; eine Konstante.

Der Druck zu irgendeiner Zeit/ ist dann

P =kfvdt + M-,

wobei i'j eine willkürliche Konstante ist.

Die in der zweiten Gleichung erforderliche Integration kann theoretisch an einer Wellenform, welche die mit der Zeit veränderliche Spannung ΐ¹ besitzt, in an sich bekaimter Weise dadurch ausgeführt werden, daß die Spannung ν den Eingangskieminen A und B des aus einem Widerstand R₁ und einem Kondensator C bestehenden, in der Abb. ι dargestellten Netzwerkes zugeführt

welches zwischen den Eingangsklem-I A und B und den Ausgangsklemmen C D eingeschaltet ist. Unter der Voraussetzung, daß die Spannung e an dem Kondensator C₁ zu jeder Zeit im Vergleich zu der Spannung ν vernachlässigt werden kann, ist die Spannung über dem Widerstand R₁ ebenfalls v. Ein Strom i fließt somit in dem Widerstand R₁, der in jedem Augenblick

= y> ^ist· IK

A₁

Wird an den Ausgangsklemmen C und D kein Strom entnommen, so ist die Spannung e in jedem Augenblick = ., , daraus folgt, daß

e =

₁C₁ j

vdt;

die Spannung e ist also ein integrierter Wert der Spannung ν und, wie verlangt, proportional dem Werte .P.

In der l'raxis ist es jedoch unzweckmäßig, die Werte von C₁ und R₁ so zu wählen, daß der Wert e stets so klein ist, daß dieser im Vergleich zu ν vernachlässigt werden kann. Man erhält dann nämlich nur eine zu geringe Empfindlichkeit, wenn die Spannung e aufgezeichnet werden soll.

Um die integrierende Vorrichtung wirksam zu gestalten, ist es deshalb erforderlich, daß' die größte Spannung an dem Kondensator C₁ einen Wert annimmt, der ein wesentliches Teil der Spannung ν ausmacht, beispielsweise 10 °/₀ des Maximalwertes. In diesem Falle ist die Spannung, die einen Stromfluß nach dem Kondensator C₁ durch den Widerstand R₁ verursacht, nicht mehr gleich der Spannung ^, und e ist infolgedessen kein tatsächliches Integral von v.

Die Abb. 1 ist ein Beispiel einer einfachen «05 integrierenden Schaltung. Sie besitzt, wie dargestellt, die Eigenschaft, eine genaue Integration nur unter schwierigen, wenn nicht unmöglichen Verhältnissen praktisch auszuführen.

Im folgenden ist ein praktisches Beispiel für die Anwendung der in der Abb. 1 dargestellten Schaltung beschrieben. Die durch die Zusammenwirkung eines Elektromagnets mit einer von dem Zylinderdruck eines Die- "5 selmotors während einer Umdrehung beeinflußten Membran entwickelte Spannung erreicht ihre oberste Spitze unmittelbar nach Überschreitung des oberen Totpunktes. Danach fällt die Spannung schnell über Null iao hinaus zu einem negativen Mindestwert, um danach allmählich Null wieder zu erreichen.

Wird nun diese Spannung der obengenannten einfachen, integrierenden Schaltung zugeführt, so steigt die Ausgangsspannung, bei Null anfangend, bis zu einem Höchstwert," der niedriger liegt als dieser sein sollte, und anstatt am Schluß der Umdrehung nach Null zurückzukehren, fällt sie unter Null zu irgendeinem negativen Wert.

Die Abb. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes ίο Ausführungsbeispiel, durch welches die obenerwähnten Schwierigkeiten, wenn nicht vollkommen behoben, so doch erheblich verringert werden, so daß eine im wesentlichen richtige Integration erfolgen kann.
Die Spule 5 in der Abb. 2 oder eine sonstige zu integrierende Spannungsquelle ist an den Eingangsklemmen X und Y angeschlossen. Die Klemme X ist mit dem Gitter einer Dreielektrodenröhre V₁ verbunden. Die zo Anode dieser Röhre ist über einen Widerstand ι mit einer Stromquelle und durch einen Kondensator 2 mit einer Eingangsklemme A der einfachen, integrierenden Schaltung der Abb. ι verbunden. Parallel zu deren Eingangsklemmen A und B liegt ein Widerstands. Die Klemmen i? und D sind über eine Vorspannungsquelle 4 an Erde angeschlossen.

Die Klemme C ist mit dem Gitter der zweiten Röhre V₂ verbunden, deren Kathode mit der Kathode der Röhre V₁ verbunden und geerdet ist. Die Anode der Röhre V₂ steht über einen Widerstand 6 mit einer Spannungsquelle in Verbindung und ist über einen Kondensator 7 und zwei Widerstände R₂ und R₃ geerdet. Eine Vorspannungsquelle für weitere Verstärkungsstufen kann zwischen dem Widerstand R₃ und Erde eingeschaltet werden.

Die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen R₂ und R_s führt über einen Kondensator C₂ zur Eingangsklemme Y. Auf diese Weise wird ein Teil der über den Widerständen R₂ und R₃ auftretenden Ausgangsspannung, nämlich die über dem Widerstand i?₃ liegende, über den Kondensator C₂ ■ nach dem Gitter der ersten Röhre rückgekoppelt. Diese Rückkopplung kann durch Veränderung der relativen Werte von R₂ und R₃ bestimmt werden. Zu diesem Zwecke kann der Widerstand R₃ und ein Teil von R₂ als regulierender Spannungsteiler ausgebildet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß die rückgekoppelte Spannung dem Gitteranodenkreis der Röhre V₁ in Reihe mit der Spannung von der Spule 5 zugeführt wird.

Obwohl zufriedenstellende Ergebnisse mit der oben beschriebenen Schaltung erzielt werden können, so neigt jedoch der Verstärker zur Unbeständigkeit, falls die Rückkopplung auf einen solchen Betrag einreguliert wird, daß eine vollständige Berichtigung der Fehler der einfachen, integrierenden Schaltung erreicht werden kann. Um dies zu verhindern, ist ein Widerstand i?₄ in Reihe mit einer Vorspannungsquelle 8 zwischen der Klemme Y und Erde eingeschaltet. Die Kom-' bination C₂ und i?₄ arbeitet ungefähr wie ein Hochpaßfilter. Daher kann die Impedanz von C₂ bei hohen Frequenzen im Vergleich zu dem Widerstand R₄, vernachlässigt werden, so daß die Widerstände R₄ und R₃ praktisch parallel geschaltet sind, während bei sehr niedrigen Frequenzen die Impedanz von C₂ sehr hoch im Vergleich zu dem Widerstand R₄, ist, so daß sehr niedrige Frequenzen sehr stark gedämpft werden und selbstverständlich einer Phasenverschiebung von 90⁰ unterworfen werden. Da die einfache, integrierende Schaltung die höheren ⁸Q Frequenzen stärker dämpft, kann die gesamte Anlage auf diese Weise stabil gestaltet werden.

Da die Klemmen C und D mit dem Gitterkreis der zweiten Röhre verbunden sind, wird praktisch kein Strom von diesen Klemmen entnommen. Die Richtung der rückgekoppelten Spannung ist so, daß sie sich zu der integrierenden, den Klemmen X und Y zugeführten Spannung υ addiert. Die dem Gitter der ersten Röhre in jedem Augenblick zugeführte Spannung ist also die algebraische Summe der Spannung der Spule und der des Widerstandes R₃.

Bei günstiger Wahl des von der gesamten Ausgangsspannung rückgekoppelten Teils kann die Spannung zwischen den Klemmen A und B der integrierenden Schaltung für jeden Augenblick gleich der algebraischen Summe der von der Spule den Klemmen A und B ^l°° zugeführten Spannung und der dieser entsprechenden integrierten Spannung gemacht werden. Die Spannung an A und B ist mit anderen Worten immer um die Spannung e an dem Kondensator C₁ erhöht, so daß die Wirkung dieser Spannung e aufgehoben ist.

Verschiedene Sekundärwirkungen treten außerdem infolge Unvollkommenheiten der Apparatur auf, die eine gleiche Wirkung haben wie die, welche die Spannung β auf die ^uo integrierte Spannung ausübt. So soll beispielsweise der Kondensator C₁ ein hochwertiger Glimmerkondensator sein, aber auch dann wird seine Unvollkommenheit in der integrierten Spannung wahrzunehmen sein. Wenn ferner der Kopplungskondensator 2 zwischen der Anode der ersten Röhre und der Klemmet ein aus Papier bestehendes Dielektrikum aufweist und der Widerstand zwischen den Klemmen A und B einen zu niedrigen Wert besitzt, kann eine ähnliche Verzerrung der integrierten Spannung auf-

treten. Solche Verzerrungen können wenigstens zum großen Teil durch eine geeignete Wahl der rückgekoppelten Spannung ausgeglichen werden.

Bei einer praktischen Ausführung der oben beschriebenen Schaltung, bei der eine Röhre mit einem Verstärkungsfaktor 20 verwendet wurde, haben sich folgende Werte für die Einzelteile der Schaltung bewährt: 0,1 μF ίο für den Kondensator C₁, 1 Megohm für die Widerstände R₁ und Ä>, 2500 Ohm für R₃ und 10 000 Ohm für R_t. Der Rückkopplungskondensator C₂ soll eine Kapazität von 25 «F haben, und der Widerstand zwischen den Klemmend und B soll 5 Megohm betragen. Die über den Widerständen R₂ und R₃ auftretende Spannung hat die Dimension des Druckes, wenn z. B. die Eingangsspannung die Dimension der Geschwindigkeit der ίο Druckänderung hat. Es ist einleuchtend, daß die so erhaltene Spannung einer zweiten Integrationsstufe mittels einer zweiten ähnlichen Schaltung unterworfen werden kann. In dem besonderen Falle der Aufzeichnung der Druckverhältnisse eines Zylinders würde die erhaltene Spannung dem mittleren wirksamen Druck entsprechen. Um eine richtige, der Kolbenbewegung entsprechende Basis zu erlangen, verwende man irgendwelche bekannten mechanischen oder elektrischen Vorrichtungen zum Kurzschließen der zweiten Integrationsschaltung, wenn das Diagramm für eine unter Beobachtung stehende Umdrehung der Maschine beendet ist, und um die Richtung der den Eingangsklemmen der integrierenden Schaltung zugeführten Spannung genau im oberen Totpunkt umzukehren.

Wenn ferner eine einstufige Integration ■ dazu verwendet wird, um von einer proportional dem Zylinderdruck verlaufenden Spannung (die beispielsweise von einem piezoelektrischen Kristall entwickelt wird) eine Spannung zu erhalten, die proportional dem mittleren wirksamen Druck ist, müßten mechanische oder elektrische Vorrichtungen zur Ableitung oder zum Kurzschließen der Ladung des Kondensators C₁ zwischen den aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Maschine oder sonstigen erwünschten zeitlichen Zwischenräumen betätigt werden.

An Stelle der einfachen integrierenden Schaltung zwischen den Klemmen A, U und C, D der Abb. 2 kann eine andere elektrisch gleichwertige, in der Abb. 3 gezeigte Schaltung gesetzt werden, in welcher der Widerstand R₁ durch eine Induktivität L₁ und der Kondensator C₁ durch einen Widerstand i?₅ ersetzt ist. Andere komplizierte Integrationsschaltungen können ebenfalls zur Verwen-So dung kommen.

Wird die vorliegende Erfindung zum Zwecke der Differentiation angewendet, so kann die einfache, integrierende Schaltung der Abb. 2 durch eine der beiden differentierenden Schaltungen, die in den Abb. 4 und 5 gezeigt sind, ersetzt werden. Die Schaltung der Abb. 4 besteht aus einem Reihenwiderstand R_e und einer im Nebenschluß liegenden Drosselspule L₂, während die Abb. 5 einen Reihenkondensator C₃ und einen parallel geschalteten Widerstand R₇ aufweist. Wird die Schaltung nach Abb. 4 in der Schaltung der Abb. 2 eingesetzt, so dient die Rückkopplung durch den Kondensator C₂ als Ausgleich für die Spannung e an der Drosselspule L₂. Dann ist der Strom i durch den Widerstand R_s unter dem Einfluß einer den Klemmen-^i und B zugeführten

Spannung ν durch / = -5- ausgedrückt. Vor-

ausgesetzt, daß kein Strom an den Klemmen C und D entnommen wird, ist die

Spannung c an der Drosselspule L₂ = L₂ jr und wiederum = -_ö-· -!', so daß die Aus-

Kf, at

gangsspannung tatsächlich das Differential der Eingangsspannung darstellt.

Zur Stabilisierung der differenzierenden Schaltung kann zwischen dem Kondensator C₂ und dem oberen Ende des Widerstandes R₄ eine Drosselspule in Reihe geschaltet werden. Der Kondensator C₂ besitzt eine große Kapazität, so daß seine Impedanz vernachlässigt werden kann. Handelt es sich um eine differenzierende Schaltung, so ist der Kondensator somit tatsächlich durch eine Drosselspule ersetzt. Die Dämpfung der höheren Frequenzen in dem Rückkopplungskreis ist viel größer als die der niedrigeren >°o Frequenzen. In der elementaren differenzierenden Schaltung ist die Dämpfung der niedrigeren Frequenzen viel größer als die der hohen Frequenzen. Daher ist die Anordnung stabil. Das Auftreten einer Störresonanz zwi- >°5 sehen dem Kondensator und der Drosselspule des Rückkopplungskreises kann dadurch vermieden werden, daß der Kondensator groß genug gewählt wird, so daß die Resonanzfrequenz sehr niedrig wird. no

Bei einer praktischen Ausführung kann der Kondensator C₁ der integrierenden Schaltung durch eine Drosselspule L₂ von 200 Hy ersetzt werden, die zwecks konstanter Induktivität mit einem Luftspalt in dem magnetischen Kreis versehen ist und einen kleineren Widerstand als 1000 Ohm hat.

Es ist selbstverständlich, daß die erfindungsgemäße Anordnung auch mit anderen als den oben beschriebenen Anzeigevorrichtungen und auch zur Registrierung anderer veränderl icher Größen gebraucht werden

kann. Außer den erwähnten Druckmessungen können z. B. Messungen der tatsächlichen Bewegung eines sich bewegenden Körpers, beispielsweise eines Spritzventils, gemacht werden, wobei dieser Teil oder eine magnetische Verlängerung in gleicher Weise wie die erwähnte Membran auf einen Elektromagnet einwirkt.

Ferner kann die erfindungsgemäße Anordnung für Untersuchungen von relativen Vibrationen oder sonstigen Abstandsänderungen zwischen zwei Körpern verwendet werden oder um die Schwankungen der Dicke längs eines bewegten Körpers, beispielsweise eines Textilfadens oder Metalldrahtes, zu messen. Im großen und ganzen kann die Erfindung überall angewendet werden, wo man eine elektrische Größe haben will, welche das Integral oder das Differential der aufgenommenen Größe ist.

Claims

Patentansprüche:

i. Schaltungsanordnung zur Bildung eines Differential- oder Integralwertes zu gegebenen elektrischen Veränderungen unter Verwendung von eine Kapazität oder Induktivität enthaltenden Integrations- oder Differentiationsschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß an die Differentiations- oder Integrationsschaltung ein Verstärker angeschaltet ist, der auf den Eingangskreis derart rückgekoppelt ist, daß die Rückkopplungsspannung die durch die Integrations- bzw. Differentiationsschaltung verursachten Fehler kompensiert.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung eines Pfeifens nach vollständigem Ausgleich eine Anordnung in dem Rückkopplungsweg vorgesehen ist, welche die niedrigeren Frequenzen im Falle einer integrierenden und die höheren Frequenzen im Falle einer differenzierenden Schaltung benachteiligt.
3. Anordnung zur Aufzeichnung mechanischer Bewegungen oder Drucke, dadurch gekennzeichnet, daß die durch ein elektrisches Aufnahmeinstrument nach Art des elektromagnetischen Fernsprechhörers aus den Bewegungs- oder Druckvorgängen erzielten elektrischen Ströme oder Spannungen durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 integriert werden, bevor sie zu dem Anzeigeinstrument gelangen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen