DE10004223A1 - Piezoelektrische oder analoge Meßgrößenumformervorrichtung mit einem durch einen Steuerkreis erregbaren Schwingkreis - Google Patents

Abstract

Um den Schwingkreis (11) zu erregen, erzeugt der Steuerkreis (12) eine Wechselspannung (Ve) mittels einer Kippschaltung (13), bevorzugt mit H-förmig angeordneten Wechselrichtern. Die Spannung (Ve) wird synchron zum Strom (i) gemacht, der den Meßgrößenumformer durchfließt, und zwar anhand eines Synchronisierorgans (14), das zwei Transistoren (T1, T2) umfaßt, die über ihre Basen an einen Ausgang (13b) der Kippschaltung und über ihre Sender an eine Klemme des Schwingkreises gekoppelt sind. Die Verbindung des Meßgrößenumformers mit seinem Steuerkreis erfolgt anhand von nur zwei Drähten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische oder analoge Meßgrößenumformervorrichtung mit einem durch einen Steuerkreis erregbaren Schwingkreis, wobei der Steuerkreis einen Wechselspannungsgenerator hat, der an den Klemmen des Schwingkreises eine Erregerwechselspannung einer bestimmten Frequenz abgibt, damit der Schwingkreis von einem Sinusbetriebswechselstrom gleicher Frequenz durchflossen wird.

Bei bekannten piezoelektrischen Meßgrößenumformervorrichtungen dieser Art unterscheidet sich die Erregerspannung von der Resonanzspannung des Schwingkreises; daraus folgt, daß der den Schwingkreis durchlaufende Strom nicht mit der Erregerspannung in gleicher Phase ist, so daß der Meßgrößenumformer nicht unter optimalen Leistungsbedingungen ausgenutzt wird. Da die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Meßgrößenumformers einer recht deutlichen Schwankung fähig ist, z. B. von mehr oder weniger 15%, kann man nicht in Betracht ziehen, sie anhand eines Festfrequenzoszillators zu erregen.

Zudem ist bei den bekannten Meßgrößenumformervorrichtungen das eigentliche Meßgrößenumformerorgan über zwei Drähte mit dem Steuerkreis verbunden, wenn kein Rückführungssignal erwünscht ist. Über drei Drähte ist es damit verbunden, wenn im Gegensatz dazu ein Rückführungssignal erwünscht ist.

Ziel der Erfindung ist es, auf einfache Weise den energetischen Wirkungsgrad einer piezoelektrischen oder analogen Meßgrößenumformervorrichtung der zuvor beschriebenen Art zu optimieren. Auch ist es ihr Ziel, eine solche Optimierung anhand von nur zwei Verbindungsdrähten zwischen dem Meßgrößenumformerorgan und seinem Steuerkreis zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß ist der Wechselspannungsgenerator eine Kippschaltung, an die Steuermittel gekoppelt sind, so daß sich der Zustand der Kippschaltung ändert, wenn sich das Vorzeichen des Betriebsstroms ändert.

Die Steuermittel umfassen bevorzugt ein Organ zur Synchronisierung der Erregerwechselspannung mit dem Betriebsstrom, wobei dieses Organ mit dem Schwingkreis und einem Eingang der Kippschaltung verbunden ist, um an diese ein Steuersignal abzugeben, das umschaltet, wenn sich das Vorzeichen des Betriebsstroms ändert, um die Erregerfrequenz an das Niveau der Resonanzfrequenz des Schwingkreises anzupassen. Die Verbindung zwischen dem Schwingkreis und dem Steuerkreis erfolgt günstigerweise anhand von nur zwei Drähten, und auf einem dieser Drähte kann ein Widerstand zum Einstellen des Sendeniveaus des Meßgrößenumformers angeordnet sein.

In einer sehr einfachen Ausführungsform umfassen die Steuermittel mindestens ein in folgender Weise zwischen die Kippschaltung und den Schwingkreis gestelltes Paar Leistungstransistoren: ihre Basis/Sender-Wege sind dazu geeignet, einen Ausgang der Kippschaltung mit einer Klemme des Schwingkreises zu verbinden, und ihre Kollektoren sind mit einem Eingang der Kippschaltung über entsprechende Dioden umgekehrter Polarität verbunden; auf diese Weise stellt der Basisstrom der Transistoren im wesentlichen den Betriebsstrom dar, und ihr Kollektorstrom erzeugt periodische Impulse, die das Steuersignal der Kippschaltung darstellen.

Die Kippschaltung umfaßt bevorzugt in einer gegenüber dem Schwingkreis entgegengesetzt liegenden H-förmigen Struktur eingebaute Wechselrichter, und sie kann ausgelegt sein, um einen Startoszillator zu bilden.

Nachstehend wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eine Beschreibung eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels gegeben.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Meßgrößenumformervorrichtung.

Fig. 2 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar.

Fig. 3 bis 6 zeigen verschiedene Betriebsphasen des Steuerkreises.

Fig. 7 stellt die Schwankung verschiedener, dem Steuerkreis angehörenden Größen dar.

Fig. 8 stellt die Anwendung eines Startoszillators dar.

Die in den Figuren dargestellte Meßgrößenumformervorrichtung ist piezoelektrischer Art und mit einem eigentlichen Meßgrößenumformerorgan 10 mit einem seriellen Stromkreis 11 und einem Steuerkreis 12 ausgestattet. Die Meßgrößenumformervorrichtung kann in einem Summer (Buzzer) benutzt werden, und der serielle Schwingkreis 11 ist dabei mit einem aus einer Reihenschaltung RLC und einer Innenkapazität CD gebildeten System parallel zu dieser Reihenschaltung vergleichbar.

Der Steuerkreis 12 umfaßt einen Wechselspannungsgenerator 13, der an den Schwingkreis 11 eine Erregerwechselspannung Ve einer bestimmten Frequenz F abgibt, damit der Schwingkreis von einem Sinusbetriebswechselstrom i gleicher Frequenz durchflossen wird. Der Schwingkreis 11 hat eine Resonanzfrequenz F0.

Der Spannungsgenerator 13 ist bevorzugt und nach konventioneller Art eine H-förmige Struktur, die im doppelten Gegentakt funktioniert, um an den Klemmen des Schwingkreises eine Nutzwechselspannung Ve, die dem Zweifachen der Versorgungsspannung Vdd entspricht, zu erzeugen. Die H-förmige Struktur ist als Kippschaltung mit einem Schleifenwiderstand R1 ausgelegt, deren einer Ausgang 13a mit dem Schwingkreis 11 verbunden ist.

Der Steuerkreis 12 umfaßt außerdem als zur Kippschaltung gehörige Steuermittel ein Organ 14, das die Synchronisierung der Erregerwechselspannung Ve mit dem Betriebsstrom i übernimmt, und zwar damit die Flanken von Ve mit den Nulldurchgängen des Stroms i übereinstimmen. Aus dieser Anordnung ergibt sich, daß die Erregerfrequenz F von Ve gleich der Resonanzfrequenz F0 des Schwingkreises ist.

Das Organ 14 hat einen Eingang 14a, der mit einer Klemme 11b des Schwingkreises 11 verbunden ist, einen anderen Eingang 14b, der mit einem Ausgang 13b der Kippschaltung 13 verbunden ist, und einen Ausgang 14c, der mit einem Eingang 13c der Kippschaltung 13 verbunden ist. Der Ausgang 13a der Kippschaltung 13 ist mit einer anderen Klemme 11a des Schwingkreises 11 verbunden. Es ist zu bemerken, daß nach einem interessanten Merkmal der Einrichtung, die Anzahl der Klemmen 11a, 11b des Schwingkreises 11 zwei beträgt, und daß sie durch nur zwei Drähte 15, 16 mit den Klemmen 13a, 14a des Steuerkreises 12 verbunden sind.

Wie man es in der Fig. 2 sieht, umfaßt das Synchronisierungsorgan bevorzugt ein Paar Transistoren T1, T2 der umgekehrten Arten npn und pnp, deren Sender zusammen über einen gemeinsamen Anschluß 18 mit einer Klemme 11b des Schwingkreises über einen Verstärkerregelwiderstand R4 verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren T1, T2 sind mit einem gemeinsamen Anschluß 17 durch die Dioden D1, D2 umgekehrter Polarität verbunden, und der gemeinsame Anschluß 17 ist mit dem Eingang 13c der Kippschaltung 13 über einen Widerstand R3 verbunden. Die Basen der Transistoren T1, T2 sind zusammen mit einem Ausgang 13b der Kippschaltung verbunden. Die Kippschaltung 13 ist also mit einer Klemme 11b des Schwingkreises über den Basis/Sender-Weg der Transistoren verbunden, während der Kollektor der Transistoren am Eingang der Kippschaltung zur Schleife geschaltet ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 stellt die Kippschaltung 13 außerdem einen Startoszillator dar. Sie umfaßt zwei Wechselrichterpuffer cmos 20, 21, deren Mittelanschluß E, zwischen dem Ausgang von 20 und dem Eingang von 21 gelegen, durch einen Wechselrichterpuffer 23 mit dem Meßgrößenumformerorgan 10 verbunden ist. Der Ausgang 13b des Wechselrichters 20 ist durch einen Wechselrichterpuffer 24 an die Basen der Transistoren T1, T2 angeschlossen. Die Wechselrichter 23, 24 übernehmen die Aufgaben der Isolation und Verstärkung. Der Anschluß E ist außerdem über einen Widerstand R1 an einen Zwischenanschluß zwischen einem Widerstand R2 und einer Kapazität C1 angeschlossen; die Elemente R2, C1 sind parallel zu den Wechselrichtern 20, 21 eingebaut, und das gleiche gilt für eine Kapazität C2. Die Kippschaltung 13 schwingt beim Start mit einer Frequenz, die etwas geringer ist als die Resonanzfrequenz F0 des Schwingkreises, danach, während des Betriebs, schwingt sie dann mit einer Frequenz F0.

Die Elemente R1, C1 definieren die Frequenz des Startoszillators, während C2 seine Kippgeschwindigkeit erhöht. Der zwischen Anschluß 17 und dem Kippschalteroszillator 13 gesetzte Widerstand R3 begrenzt den kapazitiven Effekt der Basis/Kollektor- Übergänge der Transistoren T1, T2. Der zwischen dem Meßgrößenumformerorgan 10 und dem gemeinsamen Anschluß 18 der Sender der Transistoren T1, T2 gesetzte Widerstand R4 ermöglicht es, die Lautstärke des Meßgrößenumformers einzustellen. Die Einstellung der Lautstärke kann auch durch Änderung der Versorgungsspannung Vdd erfolgen. Selbstverständlich kann man mehrere Wechselrichter parallel anordnen, um den Schwingkreis 11 zu steuern.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Meßgrößenumformers wird nun anhand der Fig. 3 bis 7 erklärt.

Zum Zeitpunkt t₀, geht der Strom i durch den Schwingkreis in der auf der Fig. 3 angegeben Richtung, die als positiver Strom angesehen wird; da der Ausgang des Synchronisierungsorgans 14 an eine Last mit relativ hoher Impedanz angeschlossen ist, ist der Kollektorstrom des Transistors T2 schwach vor dem Basisstrom ib von T2, und der Strom i ist deshalb im wesentlichen gleich ib; der Transistor T1 ist blockiert. Das Signal 5, das am Ausgang 14c des Organs 14 zur Verfügung steht, befindet sich in einem unbestimmten Zustand, und die Erregerspannung Ve des Schwingkreises 11 ist daher positiv, wie auch das Vorzeichen des Stroms i.

Zum Zeitpunkt t₁ (siehe Fig. 4) geht der Strom i durch Null, um sein Vorzeichen zu ändern, und es folgt daraus ein Kollektorstrom ic, der ein Ausgangssignal S hochschaltet (1); die Kippschaltung 13 gibt daher eine Spannung Ve ab, die synchron zum Strom i negativ wird.

Bis zum Zeitpunkt t₂ (siehe Fig. 5) hat das Signal S einen unbestimmten Zustand, und die Spannung Ve bleibt negativ. Zum Zeitpunkt t₂ (siehe Fig. 6) geht der Strom i durch Null, um wieder positiv zu werden, und das Signal 5 schaltet herunter (0); die Kippschaltung 13 gibt eine Spannung Ve ab, die synchron zum Strom i positiv wird.

Claims (7)

1. Piezoelektrische oder analoge Meßgrößenumformervorrichtung, bestehend aus einem Meßgrößenumformerorgan (10) mit Schwingkreis (11) und einem Steuerkreis (12), der den Schwingkreis erregen kann, wobei der Steuerkreis einen Wechselspannungsgenerator (13) hat, der an den Schwingkreis eine Erregerwechselspannung (Ve) bestimmter Frequenz (F) abgibt, damit der Schwingkreis von einem im wesentlichen sinusförmigen Betriebswechselstrom (i) gleicher Frequenz durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator (13) eine Kippschaltung ist, an die Steuermittel (14) gekoppelt sind, so daß sich der Zustand der Kippschaltung (13) ändert, wenn sich das Vorzeichen des Betriebsstroms (i) ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (14) ein Organ zur Synchronisierung der Erregerwechselspannung (Ve) mit dem Betriebswechselstrom (i) bilden, wobei das Organ mit dem Schwingkreis (11) und einem Eingang der Kippschaltung (13) verbunden ist, um an diesen Eingang ein Steuersignal (S) abzugeben, das umschaltet, wenn sich das Vorzeichen des Betriebsstroms ändert, um die Erregerfrequenz (F) auf das Niveau der Resonanzfrequenz (F0) des Schwingkreises einzustellen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Synchronisierungsorgan (14) mindestens ein Paar Leistungstransistoren (T1, T2) umfaßt, deren Basen mit einem Ausgang (13b) der Kippschaltung (13), die Sender mit dem Schwingkreis (11) und die Kollektoren mit einem Eingang (13c) der Kippschaltung über entsprechende, umgekehrt eingebaute Dioden (D1, D2) verbunden sind, so daß der Basisstrom der Transistoren im wesentlichen den Betriebsstrom (i) darstellt, und daß der Kollektorstrom der Transistoren am Eingang (13c) der Kippschaltung periodische Impulse erzeugt, die sein Steuersignal (S) darstellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschaltung 13 als H-förmige Struktur ausgelegt ist, wobei diese Struktur gegenüber dem Schwingkreis (11) entgegengesetzt eingebaute Wechselrichter umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (11) mit dem Steuerkreis (12) durch zwei Drähte (15, 16) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschaltung (13) ausgelegt ist, um einen Startoszillator zu bilden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R4) zum Einstellen des Sendeniveaus des Meßgrößenumformers auf einem Draht (16) angeordnet ist, der das Meßgrößenumformerorgan (10) mit den Steuermitteln (14) verbindet.