<Desc/Clms Page number 1>
Fernmess-Geber, der eine physikalische Grösse mittels des
Kompensations-Prinzipes in eine ihr proportionale
Impulsfrequenz umwandelt
Die Erfindung betrifft Fernmess-Geber, die eine physikalische Grösse mittels des KompensationsPrinzipes in eine ihr proportionale Impulsfrequenz umwandeln, mit einer Abtast-Einrichtung, die von einer durch ein Organ zum Drehmomenten-Vergleich gesteuerten Fahne beeinflussbar und als Hochfrequenz-Oszillator ausgebildet ist, dessen durch das magnetische Wechselfeld zu induzierende Spule an einen Impulsgeber angeschaltet, dieser an einen Verstärker angekuppelt und schliesslich der Ausgang des letzteren mit einem Frequenzwandler verbunden ist.
Zur Fernmessung physikalischer Grössen über beliebige Kanäle hat sich zur Übertragung der Messwerte das sogenannte Impulsfrequenz-Verfahren besonders bewährt, bei welchem auf der Sende-Seite die Messgrösse in einem Impulsgeber in eine ihr proportionale Impulsfrequenz umgewandelt wird. Hiebei werden als Impulsgeber z. B. Elektrizitäts-Zähler verwendet, deren Drehanker einen Impuls-Kontakt im Stromkreis eines Relais betätigen, welches die Impulse auf die Messleitung gibt.
Bei einer andern bekannten Ausführungsform solcher Elektrizitäts-Zähler wird zur Erzeugung der Impulse mittels einer am Zählernker sitzenden Zahnscheibe die Rückkopplungs-Induktivität des Oszillators beeinflusst, mit dessen Anodenkreis die Übertragungsleitung induktiv gekoppelt werden kann und welcher annähernd sinusförmige Impulse erzeugt, deren Frequenz der Ankerdrehzahl und somit der Eingangsgrösse proportional ist.
Es sind bereits als Impulsgeber verwendete Elektrizitäts-Zähler bekannt, deren Ankerscheibe in reflektierende und nicht reflektierende Sektoren unterteilt ist, wobei von einer Lichtquelle auf die Ankerscheibe auftreffendes und von den erwähnten Sektoren periodisch reflektiertes Licht eine Photozelle steuert, die dann eine annähernd sinusförmige Spannung von der Messgrösse proportionaler Frequenz liefert. Da jedoch die Messgrösse meist als Gleichstrom vorliegt-z. B. am Ausgang einer Brücken-Schaltung -, sind Elektrizitäts-Zähler zur Erzeugung der Impulsfrequenz unzweckmässig.
Es wurden daher Impulsgeber entwickelt, bei denen anstatt eines Zähler-Ankers eine Strom-Waage oder eine Drehmomenten-Waage verwendet wird, die mit einer leichten Aluminium-Fahne die Rück- kopplungs-Induktivität eines Oszillators beeinflusst, welcher wieder eine Wechselspannung mit der Eingangsgrösse proportionaler Amplitude liefert ; über einen im Anodenkreis befindlichen Transformator wird ein Relais-Impulsgeber angekoppelt, dessen Impulsfrequenz von der Oszillator-Spannung abhängig ist.
Um nun an der Strom-Waage für eine Messgrösse Gleichgewicht zu erreichen, wird ihr die Impulsfrequenz über Kondensatoren nach dem Umlade-Prinzip zugeführt ; das für die Impulsgabeentsprechendempfindlich ausgebildete Relais wird im allgemeinen nur mit einem Kontakt belastet, so dass der Impulsgeber selbst mindestens drei Relais enthalten muss-nämlich eines zur Impulserzeugung, eines zur Rückführung und je eines für die Impulsgabe auf jeder Leitung.
Weiters sind auch Fernmess-Geber bekannt, bei denen zur Verminderung von durch die erwähnten Relais-Kontakte hervorgerufenen Störungen elektronisch erzeugte Rechteck-Impulse direkt auf die Leitung gegeben werden und späterhin auch die Relais-Impulsgeber selbst durch elektronische Impulsgeber ersetzt wurden.
Bei diesem wesentlich vervollkommneten System werden jedoch als aktive elektronische SchaltElemente Elektronen-Röhren verwendet, deren Nachteile - beispielsweise gegenüber Transistoren - hinlänglich bekannt sind ; in derartigen Schaltungen können aber Elektronen-Röhren nicht einfach gegen Tran-
<Desc/Clms Page number 2>
sistoren ausgetauscht werden - d. h. nicht ohne weitgehende Umgestaltung der ganzen Schaltungs-Anordnung - u. zw. wegen des Einflusses der (zum Unterschied von Elektronen-Röhren) verhältnismässig grossen Temperatur-Abhängigkeit der Transistoren auf die von ihnen erzeugte Hochfrequenz-Spannungs-Ampli- tude.
Es ist beispielsweise ein Fernmess-Geber bekannt, bei dem die-als Gleichstrom vorliegende-Messgrösse über einen Gleichstrom-Verstärker einen Frequenz-Generator steuert, dessen Ausgangsgrösse über einen Frequenzumsetzer dem Eingang des Gleichstromverstärkers wieder gegengekoppelt wird, wobei der Frequenzgenerator mit Transistoren bestückt ist ;
die Verwendung von Transistoren ist dadurch möglich, dass durch die Gegenkopplung Veränderungen der Verstärkung des Gleichspannungsverstärkers sowie Ver- änderungen der Frequenz-Charakteristik des Frequenzgenerators in das Messergebnis nicht eingehen, die durch Alterungen, Temperaturschwankungen usw. hervorgerufen werden, da die Genauigkeit der linearen Umformung der Messgrössen in eine Frequenz hiebei im wesentlichen nur durch die konstante Speisespannung des Frequenzumsetzers und dessen Kondensator gegeben ist.
Diese Einrichtung ist aber nur verwendbar, wenn die Eingangsgrösse ein Gleichstrom ist-so dass zur Beeinflussung der Gebereinrichtung herangezogene mechanisch-physikalische Grössen zuerst in einen Gleichstrom umgewandelt werden müssen ; ausserdem ist die Bestückung dieser Einrichtung mit Transistoren erst durch die besonderen Schaltungs- massnahmen einer Gegenkopplung möglich.
Darüber hinaus ist es auch bekannt, Multivibratoren mit Transistoren zu bestücken, wobei jedoch der Temperaturabhängigkeit der Transistoren insofern Rechnung getragen wird, dass zur Temperaturkompensation der Kopplungswiderstand oder der Eingangswiderstand der Multivibrator-Schaltung oder beide Widerstände zusammen durch eine Schaltung mit temperaturempfindlichen Elementen ersetzt werden.
Schliesslich ist auch eine Anordnung zur Erzeugung einer Impulsfolge-deren Wiederholungs-Frequenz der Grösse eines einen Messwert darstellenden Drehmomentes proportional ist-bekannt, bei welcher das Drehmoment auf ein Messorgan einwirkt, das eine Schwingschaltung beeinflusst, die eine den Ladewiderstand eines Kondensators einer Kippanordnung regelnde Spannung erzeugt, so dass die Frequenz der erzeugten Kippspannung dem Drehmoment proportional ist, und dass durch diese Kippspannung eine die Ausgangsimpulse erzeugende Multivibrator-Anordnung gesteuert wird ; diese Schaltungsanordnung ist jedoch sehr aufwendig und benötigt zur Erzeugung der Eingangsfrequenz bereits fünf Röhren.
Nach der Erfindung werden nun bei Fernmess-Gebern der eingangs beschriebenen Art sämtliche oben erwähnten Nachteile dadurch behoben, dass die das magnetische Wechselfeld erzeugenden Spulen des mit einem Transistor bestückten Hochfrequenz-Oszillators auf einem gemeinsamen Kern angeordnet und fest miteinander gekoppelt sind und der Impulserzeuger als ein Sperrschwinger ausgebildet ist, der in an sich bekannter Weise an einem mit einem Transistor bestückten Verstärker angekoppelt ist, und dass der an diesen Verstärker anschliessende Frequenzwandler aus einem die Frequenz der Eingangsimpulse halbierenden Teil, der als ein bistabiler Multivibrator mit zwei Transistoren ausgebildet ist sowie aus einem Gleichstrom erzeugenden Teil besteht, der aus zwei Transformatoren, zwei Gleichrichtern sowie einer Widerstandskombination zusammengesetzt ist.
Bei diesem erfindungsgemässen Fernmess-Geber ist zweckmässig der als Sperrschwinger ausgebildete Impulserzeuger mit einem Transistor bestückt, dessen Emitterkreis einen temperaturabhängigen Widerstand enthält.
Bei einer weiteren Ausgestaltung dieses erfindungsgemässen Fernmess-Gebers enthält die im Gleichstrom erzeugenden Teile des Frequenzwandlers vorgesehene Widerstandskombination einen Regel : wider- stand sowie einen temperaturabhängigen Widerstand, die beide im Kombinations-Stromkreis angeordnet sind.
Die Zeichnung zeigt in Fig. l ein Blockschema und in Fig. 2 ein vollständiges Schaltbild einer beispielsweisen Ausführungsform des erfindungsgemässen Fernmess-Gebers.
Wie in der Fig. 1 schematisch gezeigt ist, besteht der Fernmess-Geber aus einer durch eine physikalische Messgrösse steuerbaren Drehmomentsvergleichsvorrichtung l, einer Abtastvorrichtung 2, einem Impulserzeuger 3, einem Verstärker 4 und einem Wandler 5. Neben diesen wesentlichen Bestandteilen sind der Vollständigkeit halber noch ein Netzgerät 6, ein Stabilisator 7 und ein Relaisverstärker 8 angedeutet. Funktionsgemäss liefert der Fernmess-Geber für eine ihm in geeigneter Weise zugeführte physikalische Grö- sse eine zu dieser proportionale Impulsfrequenz. Gleichermassen wie die elektrische, kann auch die mechanisch physikalische Grösse durch geeignete, in der Figur jedoch nicht dargestellte, konstruktive Massnahmen unmittelbar auf die Drehmomentsvergleichsvorrichtung einwirken.
Nach der als Beispiel angeführten Ausführungsform ist die Drehmomentsvergleichsvorrichtung 1 ein Drehspulsystem mit zwei Spulen
9, 10 und einer Fahne 11. In der Abtastvorrichtung 2 sind zwei galvanisch voneinander getrennte Spulen,
<Desc/Clms Page number 3>
u. zw. eine Spule 12, die einem Hochfrequenzoszillator 13 zugehört und zusammen mit einer Rückkopplungsspule 12a ein magnetisches Wechselfeld erzeugt sowie eine durch dieses Wechselfeld zu induzierende Spule 14 vorgesehen, zwischen denen mit abschirmender Wirkung die Fahne 11 beweglich angeordnet ist, derart, dass die Grösse der in der Spule 14 induzierten Spannung von der jeweiligen Stellung der Fahne 11 abhängt.
Wird nun die Messgrösse, hier als Strom il angenommen, über die Anschlussklemmen 9a, 9b der Spule 9 des Drehspulsystems zugeführt, erzeugt sie in diesem ein Drehmoment M, die Fahne 11 schwenkt aus, dadurch wird ihre abschirmende Wirkung gegenüber der Spule 14 mehr und mehr ver- mindert und das durch die Spule 12 erzeugte magnetische Wechselfeld induziert nun in der Spule 14 eine Wechselspannung u, die in ihrer Grösse von dem jeweiligen Kopplungsgrad zwischen den beiden Spulen 12, 14 abhängt.
Da die Grösse der erzeugten Wechselspannung u, wie vorstehend ausgeführt, vom Kopplungsgrad abhängt, anderseits der Kopplungsgrad jeweils durch die Auslenkung der Fahne 11 veränderbar ist, kann einer bestimmten Messgrösse eine eindeutig definierbare Wechselspannung u zugeordnet werden. In weiterer Folge wird die Wechselspannung u gleichgerichtet und als Gleichspannung u zur Steuerung des Impulserzeugers 3, der in unserer beispielsweisen Anordnung ein Sperrschwinger ist, herangezogen. In diesem Sperrschwinger werden Spannungsimpulse erzeugt, deren Impulsfrequenz f1 von der Grösse der Wech- selspannung u bestimmt wird.
Diese Spannungsimpulse werden über den Verstärker 4 zum Wandler 5 geführt, in dem sie einerseits in einen zu ihrer Impulsfrequenz f proportionalen Gleichstrom i2 und anderseits in symmetrische und rechteckförmige Impulse verwandelt werden, deren Impulsfrequenz f gleich der halben von f ist. Diese Impulse, deren Impulsfrequenz f der Messgrösse il ebenfalls proportional ist, können entweder über einen Ausgang 5a, 5b direkt einem Modulator 15 zugeleitet oder über den Verstärker 8 geführt und beispielsweise zur Steuerung eines Relais 16 verwendet werden.
Der der Impulsfrequenz f2 porportionale Gleichstrom i2 dient der Speisung eines Kompensationsgliedes der Drehmomentsvergleichsvorrichtung 1, in vorliegender Anordnung die Spule 10, in welchem Kompensationsglied dadurch ein dem Drehmoment M mit gleicher Grösse entgegenwirkendes Drehmoment, also ein Gegendrehmoment M, erzeugt wird. Dieses Gegendrehmoment M entspricht nebenbei bemerkt einer als Richtkraft wirkenden Feder bei einem nicht richtkraftlosen Drehspulinstrument.
Zur näheren Veranschaulichung der Wirkungsweise dieser Kompensationsanordnung, sei auf nachstehendes hingewiesen :
Bei Ausschwenkung der Fahne 11 aus der Nullage wird, wie schon beschrieben, eine Wechselspannung u induziert, die umso grösser ist, je weiter die Fahne 11 ausschwenkt. Mit zunehmender Stärke die-
EMI3.1
es erforderlich, die einzelnen Ströme in einem zeichnerisch nicht dargestellten Summierwerk zu summieren und als il den Anschlussklemmen 9a, 9b zuzuführen. Im Bedarfsfalle kann der Drehmomentsvergleichsvorrichtung auch ein konstanter Grundstrom io hinzugefügt werden. Von dieser Möglichkeit macht man beispielsweise dann Gebrauch, wenn die als Eingangsgleichströme auftretende Messgrösse nicht nur einen positiven sondern auch einen negativen Wert annehmen kann.
Die Grösse des Grundstromes io ist dann so zu bemessen, dass die Summe des Grundstromes und der Eingangsströme stets positiv bleibt. Um den Eingangskreis von der übrigen Schaltung galvanisch getrennt zu halten, wird der Grundstrom io vorzugsweise mit umgekehrter Polarität in den Kompensationsstromkreis zugeführt.
Schaltungsmässig erfasst, ist der Fernmess-Geber in der Fig. 2 dargestellt, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Ein Transistor 17 bildet zusammen mit Widerständen 18,19 und 20, Kondensatoren 21,22, 23 und 24 und zwei auf einem gemeinsamen Kern sitzenden Spulen 12 und 12a den Hochfrequenz-Oszillator 13. Die Rückkopplungsspule 12a ist mit der Spule 12 so fest gekoppelt, dass der Hochfrequenz-Oszillator 13 stets eine Spannung mit konstant bleibender Amplitude abgibt, die von der Spule 12 in ein elektromagnetisches Wechselfeld umgewandelt und ausgestrahlt wird. Diese feste Kopplung wurde deshalb gewählt, um die erzeugte Hochfrequenzamplitude, deren Grösse bekanntlich vom Rückkopplungsgrad und von der Verstärkungsziffer des Schwingungserzeugers bestimmt wird, soweit als möglich von Temperaturschwankungen unabhängig zu machen.
Während nämlich die Temperaturabhängigkeit der Elektronenröhren in bezug auf ihre Verstärkungsziffer vernachlässigbar klein ist, ist sie bei Transistoren sehr gross, so dass bei diesen die Grösse der Hochfrequenzamplitude, wie schod erwähnt, ausser vom Kopplungsgrad, auch noch von der Temperatur bestimmt wird. Man verzichtet bei vorliegender Schal-
<Desc/Clms Page number 4>
tungsanordnung bewusst darauf, die Schwingungsamplituden des Hochfrequenz-Oszillators durch Rückkopp- lung zu regeln, sondern man sieht eine feste Ankopplung mit einem genügend grossen Kopplungsgrad vor, so dass die Hochfrequenzamplitude durch die Aussteuerungsgrenze des Transistors bestimmt wird.
Die durch das magnetische Wechselfeld in der Spule 14 induzierte Wechselspannung wird durch eine Diode 25 gleichgerichtet, in einem Kondensator 26 geglättet und dient, wie vorstehend schon erwähnt, zur Steuerung des Impulserzeugers 3. Dieser besteht aus einem Transistor 27, Widerständen 28 - 33, wobei der im Emitterstromkreis liegende Widerstand 33 temperaturabhängig ist und zur Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes des Transistors 27 dient ; ferner aus Kondensatoren 34-36, einem Transforma- tor 37 mit zwei Wicklungen 37a, 37b und einem Gleichrichter 38. Er erzeugt kurze Spannungsimpulse u2 während deren Impulspausen der Transistor 27 gesperrt ist.
Die Dauer des Sperrzustandes und somit die Impulsfrequenz f hängt nun von dem Spannungsabfall am Widerstand 28, von der Stromeinsatzspannung des Transistors 27, von der Spannung, auf welche der Kondensator 34 aufgeladen wird, ferner von der Zeitkonstante des Kondensators 34 und des Widerstandes 30 und schliesslich von der Grösse der Gleich- spannung u ab. Während nun alle die Impulsfrequenz f bestimmenden Faktoren, bis auf die Gleichspannung uI'im wesentlichen konstante Werte haben, ist ersichtlich, dass eine Änderung der Impulsfrequenz fi nur durch eine Änderung der Gleichspannung u erfolgen kann, die Gleichspannung u demgemäss als einzig veränderliche die Impulsfrequenz f bestimmt.
Die Schaltung kann derart ausgebildet sein, dass bei Unterschreitung eines bestimmten Schwellwertes der Gleichspannung u-die Schwingungen völlig aussetzen. Die Impulsfrequenz f ist dann gleich Null und kann durch Erhöhung der Spannung vom Nullwert aus kontinuierlich vergrössert werden. Während einesSchwingungszyklus spielen sich im Impulserzeuger 3, ausgehend vom gesperrten Zustande, nun folgende Vorgänge ab :
Der Kondensator 34 entlädt sich über den Widerstand 30, wodurch sich die Basisspannung des Transistors 27 dem Stromeinsatzpunkt nähert. Sobald dieser erreicht ist, wächst der Kollektorstrom an und induziert beim Durchfliessen der Transformatorwicklung 37a eine Spannung in der Transformatorwicklung 37b.
Diese Spannung beschleunigt nun über die Basis das Anwachsen des Kollektorstromes, so dass dieser rasch seinen Sättigungswert erreicht. Gleichzeitig mit dem Kollektorstrom wächst auch der Basisstrom und lädt dabei den Kondensator 34 wieder auf. Da der den Transformator 37 durchfliessende Kollektorstrom jetzt konstant ist, verschwindet die Spannung über die Transformatorenwicklung 37b und der soeben neu aufgeladene Kondensator 34 sperrt den Transistor 27 abermals und der folgende Schwingungszy- klus beginnt wieder von neuem. Um eine von Schwankungen möglichst freie Impulsfrequenz f zu erhalten, werden die Abtastvorrichtung und der Sperrschwinger über den Stabilisator 7 gespeist.
In dem nachgeschalteten Verstärker 4 werden die vom Sperrschwinger abgegebenen Impulse mit der Spannung u2 durch ein RC-Glied, bestehend aus dem Kondensator 36 und einem Widerstand 39, differenziert. Von den dadurch neu entstandenen Spannungsimpulsen u werden nur die negativen Spitzen durch einen Transistor 40 verstärkt, die dann an dem im Kollektorstromkreis liegenden Arbeitswiderstand 41 als positive Spannungsimpulse u4 auftreten. Diese werden in den Wandler 5 weitergeleitet, der aus einem als Umschalter wirkenden bistabilen Multivibrator besteht und mit 2 Transistoren 42 und 43, Widerständen 44 bis 48 und Kondensatoren 49, 50, sowie zwei Transformatoren 51, 52, Gleichrichtern 53, 54 und Widerständen 55 - 59 bestückt ist.
Bei jedem Eintreffen eines Impulses u4 kippt der Multivibrator von der einen in die andere stabile Lage und magnetisiert dabei abwechslungsweise die Transformatoren 51, 52 in positivem bzw. negativem Sinne. Die Windungszahlen der Primärwicklungen der Transformatoren 51, 52 sind so gewählt, dass, wenn der Transformator 52 magnetisch gesättigt ist, der Transformator 51 nicht gesättigt
EMI4.1
proportional zur Induktion ist. Die Induktion des Transformators 52 ist dabei wegen der Sättigung nur schwach vom magnetisierenden Strom abhängig, während die Induktion des Transformators 51 zu diesem proportional ist.
Die Sekundärwicklungen sind so geschaltet und aufeinander abgestimmt, dass die resul- tierende Impulsstärke über einen grossen Bereich unabhängig vom magnetisierenden Strom, d. h. unabhängig von den Daten der Transistoren 40,42 und der Netzspannung wird. Da die Spannungsimpulse wechselnde Polarität haben, werden sie in zwei Gleichrichtern 53,54 gleichgerichtet und in einer Widerstandskombination 56 - 59 in Gleichstromimpulse umgewandelt. Wegen der Trägheit der Drehmoments-
EMI4.2
<Desc/Clms Page number 5>
keit der Sättigungsinduktion und des Widerstandes der Kupferwicklung entsteht. Beide Widerstände, 56 wie 59 sind im Kompensationsstromkreis angeordnet. Die in dieser Schaltungsanordnung erzeugten Spannungimpulse U5 sind rechteckförmig.
Der Fernmess-Geberwirdin den meisten Fällen mit andern Geräten zusammen über die Anschlussklemmen 6a, 6b an eine 12V Gleichstrom-Spannungsquelle angeschlossen und von dieser mit dem erforderlichen Betriebsstrom versehen. Anderseits ist auch ein Netzgerät 6 vorgesehen, so dass der Fernmess-Geberntigenfalls auch an das Wechselstromnetz angeschlossen werden kann.
Zur Konstanthaltung der wichtigsten Betriebsströme,. ist, wie schon erwähnt, der Anordnung ein Stabilisator 7 zugeordnet, der aus zwei Stufen besteht. Die erste Stufe, gebildet aus einem Widerstand 60, einem Gleichrichter 61 und einem Kondensator 62, speist die Abtastvorrichtung 2 und den Impulserzeuger 3, die zweite Stufe, die sich aus einem Widerstand 63 und einem Gleichrichter 64 zusammensetzt, dient als Konstantspannungsquelle zur Erzeugung des Grundstromes io, der über Widerstände 65,66 in den Kompensationsstromkreis zugeführt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Fernmess-Geber, der eine physikalische Grösse mittels des Kompensationsprinzipes in eine ihr proportionale Impulsfrequenz umwandelt, dessen Abtast-Einrichtung von einer durch ein Organ zum Drehmomenten-Vergleich gesteuerte Fahne beeinflussbar ist und aus einem Hochfrequenz-Oszillator besteht, dessen durch das magnetische Wechselfeld zu induzierende Spule an einen 1I11pulserzeuger angeschaltet.
dieser an einen Verstärker angekoppelt und schliesslich der Ausgang des letzteren mit einem Frequenzwandler verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die das magnetische Wechselfeld erzeugenden Spulen (12-12a) des mit einem Transistor (17) bestückten Hochfrequenz-Oszillators auf einem gemeinsamen Kern angeordnet und fest miteinander gekoppelt sind und der Impulserzeuger (3) als ein Sperrschwinger ausgebildet ist, der in an sich bekannter Weise an einem mit einem Transistor bestückten Verstärker (4) angekoppelt ist, und dass der an diesen Verstärker anschliessende Frequenzwandler (5) aus einem die Frequenz (f) der Eingangsimpulse halbierenden Teil, der als ein bistabiler Multivibrator mit zwei Transistoren ausgebildet ist sowie aus einem Gleichstrom erzeugenden Teil besteht, der aus zwei Transformatoren (51, 52)
. zwei Gleichrichtern (53, 54) sowie einer Widerstandskombination (56-59) zusammengesetzt ist.