-
Nach dem Prinzip der Kraftkompensation arbeitender Meßgrößenumformer
zur Umformung einer Meßgröße in einen elektrischen Strom Die Erfindung betrifft
einen nach dem Prinzip der Kraftkompensation arbeitenden Meßgrößenumformer zur Umformung
einer Meßgröße in einen elektrischen Strom mit einem beweglich gelagerten, unter
der Einwirkung einer mit der Meßgröße veränderlichen Meßkraft stehenden Meßkörper,
Mitteln zur Aussteuerung eines mit der Meßkörperstellung veränderlichen, als Ausgangsgröße
dienenden elektrischen Stroms und einem an den Meßkörper angreifenden und von dem
Strom gesteuerten Kraftgeber zur Erzeugung einer der Meßkraft am Meßkörper entgegengerichteten
Kompensationskraft, bei dem an den Kompensationsstromkreis des Umformers ein eine
Hilfsspannungsquelle, ein Schwellwertventil und einen Hilfskraftgeber enthaltender
Hilfsstromkreis angeschlossen ist.
-
In bekannten Meßgrößenumformern dieser Bauart dient der vorgesehene
Hilfsstromkreis zur Entlastung des Kompensationsstroms im unteren Meßbereich des
Meßgrößenumformers in der Weise, daß unterhalb einer gewissen vorgebbaren Meßkraft
eine Art von Kompensationskraft nicht durch den Kompensationsstrom, sondern durch
einen dem Hilfsstromkreis entnehmbaren Hilfsstrom erzeugt ist. Der Hilfsstrom steigt
dabei mit abnehmendem Kompensationsstrom unterhalb eines gewissen Schwellwertes
des Kompensationsstroms an.
-
In solchen Umformern ist in dem genannten Bereich ihrer Meßcharakteristik
der als Ausgangsgröße dienende Kompensationsstrom nicht mehr repräsentativ für die
Meßgröße. Diese Umformer weisen den Vorzug auf, daß kleine zeitlich veränderliche
Störkräfte (Reibungskräfte und veränderliche elastische Kräfte), die auf den Meßkörper
einwirken, nicht dazu führen, daß bei verschwindender Meßkraft zur Kompensation
dieser Störkräfte ein Kompensationsstrom erzeugt ist, der eine Meßgröße vortäuscht,
was besonders in solchen Fällen, in denen der Umformer zur Abbildung von Mengen
od. dgl. benutzt wird, als störend empfunden wird, da solche Ströme z. B. einen
andauernden Energieverbrauch selbst dann vortäuschen, wenn keine Energie verbraucht
wird.
-
Die genannten Umformer leiden unter dem Mangel, daß im Hilfsstromkreis
angeordnete Schwellwertventile - es handelt sich dabei im allgemeinen um Dioden
oder um Gleichrichterbrücken - durcl eine Differenzspannung gesteuert sind. Die
Differenzspannung setzt sich aus einem konstanten Anteil, der der elektromotorischen
Kraft (EMK) der Hilfsspannungsquelle entspricht, und einem mit dem Kompensationsstrom
variablen Spannungsteil zu-
sammen. Es gehen deshalb in die Steuerungscharakteristik
solcher Anordnungen die Steuerkennlinien der spannungsgesteuerten Schwellwertventile
mit ein, weshalb der Einsatzpunkt, an dem der Hilfsstrom zur Wirkung kommt, Schwankungen
unterworfen ist.
-
Auch bewirken z. B. über Fernübertragungsleitungen eingestreute Störspannungen
Unbestimmtheiten des Umschaltpunktes.
-
In Verbesserung der bekannten Anordnungen wird deshalb ein Meßgrößenumformer
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der sich dadurch kennzeichnet, daß der
Kompensationsstrom des Umformers und der der Hilfsspannungsquelle entnehmbare Hilfsstrom
in den Kompensationsstromkreis über in Reihe geschaltete und jeweils zu den Ausgängen
der Kompensationsstromquelle bzw. der Hilfsspannungsquelle parallelgeschaltete Schwellwertventile
in den Kompensationsstromkreis eingespeist sind.
-
Meßgrößenumformer dieser Ausbildung weisen gegebenenfalls den Vorzug
auf, daß dem Hilfsstromkreis angeordneten Hilfskraftgeber unterhalb einer durch
Einstellung des Hilfsstroms vorgebbaren Schwelle des Kompensationsstroms der Hilfsstrom
durch den Kompensationsstrom ungesteuert zuführbar ist, wobei die durch den Hilfsstrom
erzeugte Kompensationskraft allein von der Größe des Hilfsstroms abhängig und bei
konstantem Hilfsstrom konstant ist. Auf jeden Fall erfolgt die Betätigung der Schwellwertventile
durch reine Stromsteuerung, weshalb die an den Schwellwertventilen anliegenden Spannungen
keinen Einfluß auf die Größe der die Ventile durchfließenden Ströme nehmen.
-
Als Hilfskraftgeber kann bei Meßumformern nach der Erfindung entweder
der ohnehin vorgesehene
Kompensationskraftgeber oder ein gesondert
vorgesehener Hilfskraftgeber benutzt werden.
-
Die anliegenden Figuren erläutern ein Ausführungsbeispiel.
-
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Meßgrößenumformers zur
Umwandlung einer mechanisch erzeugten Meßkraft F in einem elektrischen Gleichstrom,
während F i g. 2 die Kompensationskrafterzeugungscharakteristik dieses Meßumformers
wiedergibt.
-
In Fig. 1 bezeichnet 1 einen als zweiarmigen Hebel ausgebildeten,
um den Lagerpunkt 2 drehbar gelagerten Meßkörper. An den einen Hebelarm des Meßkörpers
greift die Meßkraft F an. Diese ist z. B. durch ein mechanisches Diflerenzdruckmeßwerk
erzeugt, wobei Meßwerk und Umformer Bestandteile einer Mengenmeßvorrichtung zur
Ermittlung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung (Wirkdruckmengenmessung)
sind.
-
Mit dem Hebel 1 wirkt ein die Hebelstellung elektrisch abtastender
Geber 3 zusammen. Er ist beispielsweise als induktiver Geber ausgebildet. Er erzeugt
an seinem Ausgang eine elektrische Wechselspannung, deren Amplitude mit der Stellung
des Hebels 1 linear veränderlich ist. Der Phasenwinkel der Wechselspannung (100
kHz) ändert sich in einer bestimmten Stellung des Hebels 1 um 1800.
-
Die ausgesteuerte Spannung ist über die Leitung 4 dem Eingang eines
Verstärkers 5 zugeführt, und es erzeugt der Verstärker an seinem Ausgang einen elektrischen
Gleichstrom i,, der innerhalb des Aussteuerbereichs des Verstärkers linear mit der
Verstärkersteuerspannungsamplitude variabel ist. Seine Stromflußrichtung ändert
sich mit dem Phasenwinkel der Steuerspannung. Der Verstärker 5 enthält dazu an seinem
Ausgang einen phasenempfindlichen Gleichrichter.
-
Der dem Verstärker 5 entnommene Gleichstrom durchfließt die in Reihe
geschalteten Wicklungen eines mit dem Meßkörper 1 zusammenwirkenden Elektromagneten.
Der Elektromagnet besteht aus einer ortsfesten Wicklung 7 und einer im Luft spalt
des Blechpaketes dieser Wicklung beweglichen, mit dem Hebel 1 verbundenen Schwenkspule
6. Das elektromagnetische System 6,7 erzeugt am Hebel 1 eine Kompensationskraft
F', die dem Quadrat des Kompensationsstroms proportional und der Meßkraft F entgegen
gerichtet ist. Im Fall des Momentengleichgewichts am Hebel 1 entspricht deshalb
der die Wicklungen des Elektromagneten durcbfließende Kompensationsstrom i, der
Quadratwurzel aus der Meßkraft F.
-
Der Kompensationsstromi, durchfließt die Leitun 8 und tritt über
die Leitung 9 wieder in den Verstärker ein. Parallel zum Ausgang des Verstärkers
5 ist eine Diode 10 geschaltet. Mit 12 ist eine Hilfsspannungsquelle in Form einer
Gleichrichter brückenschaltung, die aus dem Wechselstromnetz gespeist ist, bezeichnet
und es ist parallel zum Ausgang des Gleichrichters 12 eine Diode 11 geschaltet.
-
Die Dioden 10 und 11 sind im Kompensationsstromkreis 13 des Umformers
in Reihe geschaltet. Mit 14 ist ein in der Leitung 9 angeordneter Lastwiderstand
bezeichnet. Es kann sich dabei um die Eingangswiderstände von in Reihe geschalteten
Meß-, Registrier-, Regelungs- oder Steuergeräten handeln.
-
Mit 16 ist eine Diode bezeichnet, die in der Leitung 8 angeordnet
ist, und die eine Umkehr der Flußrich-
tung des Kompensationsstroms im Stromkreis
des Umformers verhindert.
-
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Der Umformer ist mittels
einer an den Meßkörper angreifenden (nicht dargestellten) Nullpunktsfeder derart
justiert, daß bei der Meßkraft F = Q in einer bestimmten Stellung des Hebels 1.
der vom Verstärker 5 ausgesteuerte bzw. dem Sompensationskraftgeber zugeführte Kompensationsgleichstrom
Null ist.
-
Beim Auftreten einer Meßkraft wird vom Verstärker 5 ein Kompensationsstrom
ausgesteuert, und es sei zunächst angenommen, daß dieser Strom größer ist als der
der Hilfsspannungsquelle 12. Über die Diode 16 gelangt dieser Strom zum Schaltungspunkt
A, wo er sich in den Hilfsstrom i, der von der Hilfsspannungsquelle 12 geliefert
wird, und einen Strom, der über die Diode 11 zum Schaltungspunkt B fließt, verzweigt.
Vom Schaltungspunkt B gelangt der Summenstrom über die Leitung 13 zu den Wicklungen
6, 7 und erzeugt in üblicher Weise die Kompensationskraft. Uber die Diode 10 fließt
in diesem Fall kein Strom. Der Kompensationsstrom fließt mimittelbar über den Lastwiderstand
14 und die Leitung 9 zum Verstärker 5 zurück.
-
Der Strom iy durchfließt die Wicklungen 6 und 7, solange er größer
oder gleich dem Hilfsstrom i ist.
-
Ist der Kompensationsstrom kleiner als der Hilfsstrom, so fließt über
die Leitung 13 lediglich der konstante Hilfsstrom, und es ist die vom Elektromagneten
6, 7 erzeugte Hilfskraft konstant. Der Hilfsstrom i verzweigt sich dabei am Schaltungspunkt
C in den über die Leitung 9 fließenden Kompensationsstrom y und einen der Differenz
zwischen dem Hilfs- und dem Kompensationsstrom entsprechenden, über die Diode 10
fließenden Teilstrom.
-
Der erläuterte Meßgrößenumformer weist deshalb die in der F i g.
2 dargestellte Kraftcharakteristik auf.
-
Oberhalb einer durch Einstellung des Hilfsstroms i einstellbaren Schwelle
i0 ändert sich die Kompensationskraft F' mit dem Kompensationsstrom i, quadratisch.
Unterhalb dieser Schwelle ist die Kompensationskraft F konstant. Meßkräfte F, die
deshalb durch in diesem letzteren Bereich gelegene KornpensationskräfteF' zu kompensieren
sind, werden durch den Kompensationsstromi,> nicht mehr abgebildet und die Anordnung
ist wegen der überwiegenden Hilfskraft instabil, weshalb der Meßkörperl infolge
des gestörten Kräftegleichgewichts derart bewegt wird, daß der vom Verstärker 5
ausgesteuerte bzw. dem Kompensationsstromkreis zugeführte Kompensationsstrom verschwindet.
-
Die Schwelle, an der die Hilfskompensationskraft wirksam wird, ist
durch Einstellung des Hilfskompensationsstroms i0 beliebig wählbar, und es gehen
die Steuerkennlinien der Gleichrichter 10 und 11 in die Meßcharakteristik nicht
mehr ein.
-
In Fig. 1 ist mit 15 noch ein in Reihe zu dem Gleichrichter 12 gelegener
hochohmiger Widerstand bezeichnet, der lediglich dazu dient, für den Kompensationsstromkreis
den Zweig der Hilfsspannungsquelle genügend hochohmig zu machen. Weist die vorgesehene
Hilfsspannungsquelle einen genügend großen Innenwiderstand auf, so kann der Hilfswiderstand
15 entfallen, und es kann die Anordnung darüber hinaus so getroffen sein, daß die
Gleichrichterbriicke 12 gleichstromseitig in Reihe zur Diode 10 geschaltet ist.
Die Diode 11 und der Widerstand 15 sind dabei entbehrlich. Andererseits ist es auch
möglich,
einen gesonderten Hilfskraftgeber, der auf den Meßkörper 1 einwirkt, in Reihe zu
dem Schwellwertventil 10 zwischen dem Schaltungspunkt C und der Diode 10 bzw. zwischen
der Diode 10 und dem Schaltungspunkt A anzuordnen. In Anordnungen, zu denen eine
Stromrichtungsumkehr im Stromkreis des Meßgrößenumformers nicht möglich ist, kann
die Diode 16 entfallen.
-
Die Erfindung ist nicht an das beschriebene Ausführungsbeispiel gebunden.
Die Meßkräfte können bei Umformern nach der Erfindung am Meßkörper auch elektrisch
erzeugt sein und es kann an Stelle des elektromagnetischen Kompensationskraftgebers
auch ein solcher permanentmagnetischen Aufbaus oder ein elektromotonscher, über
eine Reibungskupplung auf den Meßkörper einwirkender Kompens ationskraftgeber oder
Hilfskompensationskraftgeber vorgesehen sein.