DE1548653C - Elektrischer Meßumformer mit automa tischer Eicheinrichtung - Google Patents

Description

Im Zuge der Weiterentwicklung der Meß- und Regeltechnik kommt auch solchen Maßnahmen eine erhebliche Bedeutung zu, die dazu dienen, die Meßeinrichtungen in ihrer Genauigkeit und zeitlichen Konstanz zu verbessern und außerdem so auszubilden, daß sie ein einheitliches Ausgangssignal abgeben.. Als solches ist sehr häufig ein elektrischer Strom von Vorteil, der am Meßbereichendwert immer die gleiche Größe, beispielsweise 20 mA erreicht (eingeprägter Strom). Durch diese »Normierung« ergeben sich offensichtlich wesentliche Vorteile bei der Verwendung und Zusammenschaltung der Geräte in Regel- sowie in Datenverarbeitungsanlagen.

Die Umformung des Ausgangssignals einer Meßeinrichtung, z. B. eines Gasanalysators, in einen eingeprägten Strom kann durch Meßumformer unter Verwendung elektronischer Mittel mit großer Präzision und Nullpunktsicherheit erfolgen. Zur Begriffsbestimmung »Meßumformer« wird auf die Norm DIN 19226 (Ausgabe Mai 1968), S. 15, hingewiesen, die die wichtigsten Begriffe und Benennungen der Regelungstechnik und Steuerungstechnik enthält.

Der Aufwand hierfür würde allerdings nur bedingt zu vertreten sein, wenn der eigentliche Meßwertgeber selbst keine genügende zeitliche Konstanz bezüglich Nullpunkt und Empfindlichkeit aufweist. In dieser Hinsicht ist aber bei verschiedenen Meßwertgebern, z. B. bei Analysengeräten, mit Unsicherheiten zu rechnen, die durch den speziellen Aufbau dieser Geräte und ihre Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen gegeben sind. In erster Linie treten dabei schleichende Änderungen des Nullpunktes und der Meßempfindlichkeit auf. Es ist deshalb notwendig, die Reproduzierbarkeit der Anzeige derartiger Meßwertgeber dadurch zu verbessern, daß man diese Geräte in bestimmten Zeitabständen nacheicht. Um dem Bedienungspersonal diese lästige und zeitraubende Arbeit zu ersparen, hat man bereits automatische Prüf- und Eicheinrichtungen, z. B. für Gasanalysatorenr konstruiert, die in bestimmten wählbaren Zeitabständen mit Hilfe eines Programmschaltwerkes oder durch einen von Hand auslösbaren Befehl eine selbsttätige Überprüfung und Nacheichung durchführen (USA.-Patentschrift 2 939 953).

Diese zum Stand der Technik zählenden Einrichtungen, welche an das Analysengerät angeschlossen werden, bewirken die Zuführung zweier Eichgase zum Analysator, die vorzugsweise dem Anfangs- und End wert des Meßbereiches entsprechen, und erzeugen diesen Meßwerten zugeordnete Sollspannungen als Vergleichswerte. Mit Hilfe einer Regeleinrichtung, die zusätzliche Abgleichglieder innerhalb oder außerhalb des Analysators verstellt, wird das Ausgangssignal des Analysators (Istspannung) bei den genannten Meßwerten an die zugehörige Sollspannung angeglichen. Nach Beendigung des Eichvorganges wird wieder auf Normalbetrieb umgeschaltet. Diese Eicheinrichtungen üben zum Teil die Funktion eines dem Analysator nachgeschalteten getrennten Meßumformers aus.

Es sind auch schon von Hand einstellbare, vom Analysator getrennte Eicheinrichtungen für den Anfangs- und Endwert des Meßbereiches von Gasanalysatoren durch Lieferungen bekannt. Diese dem Stand der Technik entsprechend zu automatisieren bereitet keine Schwierigkeiten.

Die bekannten Eicheinrichtungen haben den Nachteil, daß sich die Einstellung der beiden meist am Anfang und Ende der Skala liegenden Eichwerte gegenseitig beeinflußt, wenn nicht in den Analysator selbst eingegriffen wird, und daß während des Eichvorganges die Anzeige des Meßwertes unterbrochen wird. Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Sie geht entsprechend dem vorstehend geschilderten Stand der Technik aus von einem elektrischen Meßumformer mit automatischer Eicheinrichtung, die bei Aufgabe von vorgegebenen Meßgroßen (Eichwerten) auf den dem Meßumformer vorgeschalteten Meßwertgeber entsprechende elektrische Größen im Meßumformer mit fest einstellbaren elektrischen Eichgrößen vergleicht und bei der auftretende Differenzspannungen Regler beaufschlagen, welche das Übertragungsverhalten des Meßumformers beeinflussen.

Erfindungsgemäß ist der neue Meßumformer durch die Vereinigung folgender an sich bekannter Merkmale gekennzeichnet:

a) Im Eingang des Meßumformers liegt ein gegengekoppelter Verstärker, dessen elektrischer Eingangsgröße eine entsprechende einstellbare feste elektrische Größe (Unterdrückungsgröße) ent-

_2S gegengeschaltet ist und dessen Gegenkopplung

einstellbar ist;

b) dem Ausgang des Verstärkers ist unter Zwischenschaltung eines ersten Dreifachumschalters ein Regler nachgeschaltet, dessen Ausgang über einen zweiten Dreifachumschalter auf drei verschiedene Stellmotoren schaltbar ist;

c) die Stellmotoren wirken jeweils auf die Einstellvorrichtung für die Unterdrückungsgröße und die Gegenkopplung des Eingangsverstärkers sowie auf eine Einstellvorrichtung für die von einer besonderen Stromquelle erzeugte elektrische Ausgangsgröße des Meßumformers;

d) die beiden Dreifachumschalter werden synchron zugleich mit der Aufgabevorrichtung für Meßgroßen auf den Meßwertgeber verstellt;

e) der erste schaltet gegen die Ausgangsgröße des Eingangsverstärkers für den Eichvorgang entsprechende einstellbare feste elektrische Größen und für den Meßvorgang eine elektrische Größe, die von der Ausgangsgröße des Meßumformers abgeleitet ist, und führt die Spannungsdifferenz dem Reglereingang zu.

Ein besonders günstiger schaltungstechnischer Aufbau des Meßumformers ergibt sich, wenn als Regler ein Schrittregler benutzt wird, bei dem jeweils eine Schaltstufe im Ausgang anspricht, wenn seine Eingangsgröße vom Wert Null nach positivem oder negativem Wert tendiert und bei dem durch die Schaltstufen die Drehrichtung des durch den nachgeschalteten Dreifachumschalter angeschlossenen Stellmotors bestimmt ist.

Vorzugsweise ist die dem Eingangsverstärker zugeführte und durch einen Stellmotor eingestellte Unterdrückungsgröße als Teilspannung eines von einer Konstantspannungsquelle gespeisten Widerstandsnetzwerkes abgegriffen. Dieses Netzwerk liefert zweckmäßigerweise auch die fest einstellbaren Eichgrößen in Form elektrischer Eichspannungen.

Als Stromquelle für die Ausgangsgröße des Meßumformers kann insbesondere ein gegengekoppelter Verstärker mit eingeprägtem Ausgangsstrom dienen, deren Einstellvorrichtung durch eine im Eingang des

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Verstärkers liegende, einstellbare, mit konstanter Vorgang die Abgriffe der bereits erwähnten Potentio-

Spannung gespeiste Brückenschaltung gebildet ist. meter 15 und 21 sowie für den Meßvorgang den Ab-

Die synchron mit der .Aufgabevorrichtung für griff des Potentiometers 11, das Teil der Eingangs-Meßgrößen auf den Meßwertgeber einzustellenden brückenschaltung 10 des gegengekoppelten Verstär-Dreifachumschalter sind zweckmäßigerweise so aus- 5 kers 8 im Ausgang ist. Der Verstärker 8 erzeugt gebildet, daß sie je nach Bedarf von Hand oder auch zusammen mit der durch die Konstantspannungsvon einem auch die Aufgabevorrichtung steuernden quelle 9 gespeisten Brückenschaltung als Ausgangs-Programmschaltwerk automatisch einstellbar sind. größe des Meßumformers einen der Eingangsgröße Das Programmschaltwerk kann durch eine Schaltuhr proportionalen Strom J. Um dieses Übertragungsin einstellbaren Zeitintervallen in Gang gesetzt io verhalten des Meßumformers zu erreichen, muß eine werden. geeignete Kopplung zwischen der Ausgangsgröße des

Im 'folgenden wird der Aufbau und die Wirkungs- Meßumformers und des Eingangsverstärkers vorgeweise des erfindungsgemäßen Meßumformers an nommen werden. Dies geschieht dadurch, daß von Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- der Ausgangsgröße des Meßumformers mit Hilfe rungsbeispiels und unter der Annahme, daß der vor- 15 eines galvanisch trennenden Gliedes 22 eine Spangeschaltete Meßwertgeber ein Gasanalysegerät ist, nung abgeleitet und gegen die Ausgangsspannung erläutert. Demnach besteht die Aufgabevorrichtung des Eingangsverstärkers am Widerstand 12 geschaltet für die Meßgröße des Meßwertgebers aus Vorrats- wird. Die Differenzspannung beaufschlagt sodann behältern mit entsprechenden Eichgasen, Vorzugs- den Schrittregler, der über den Stellmotor 23 den weise Eichgasen für den Anfangs- und Endwert des 20 Abgriff des Brückenpotentiometers 11 im Eingang Analysator-Meßbereiches, die ebenso wie das Be- des Verstärkers 8 verstellt. Das galvanisch trennende triebsgas in Leitungen zum Analysator strömen und Glied 22 kann nach Art eines Gleichstromübertradurch eingeschaltete Magnetventile in der richtigen gers arbeiten mit Zerhacker, Wechselstromtransforzeitlichen Folge zugeführt werden. Die Magnet- mator und Gleichrichterschaltung. Die Speisespanventile sollen automatisch durch das Programm- 25 nungen für die beiden Verstärker 1 und 8 werden Schaltwerk betätigt werden, gleichzeitig mit den ent- den Netzgleichrichtern 24 und 25 entnommen,
sprechenden Schaltgliedern der beiden Dreifach- Im einzelnen läuft ein Eichvorgang, nachdem das umschalter des Meßumformers. Programmschaltwerk durch die Zeituhr in Gang ge-

Das Analysengerät mit Aufgabevorrichtung und setzt wurde, wie folgt ab: Das Programmschaltwerk das von einer Zeituhr in Gang gesetzte Programm- 30 bewirkt zunächst durch Auslösung der Magnetventile Schaltwerk sind in der Zeichnung nicht dargestellt, die Sperrung der Meßleitung zum Analysator und da sie nicht erfindungswesentlich sind. Diese Ein- die Zufuhr des dem Meßbereichanfang entsprechenrichtungen stehen in den verschiedensten bekannten den Eichgases. Gleichzeitig werden die bisher geAusführungen zur Verfügung. Beispielsweise kann schlossenen Schalter &, und b., geöffnet und die der Gasanalysator auf dem Prinzip der Wärmeleit- 35 Schalter /i, und n₂ geschlossen. Dadurch gelangt auf fähigkeit des Gases oder seiner Ultrarotabsorption den Schrittregler eine Spannung, die sich aus der beruhen. Das Programmschaltwerk kann in bekann- Differenz der Spannungen am Lastwiderstand 12 des ter Weise mit motorgetriebenen Nockenscheiben Meßverstärkers 1 und der fest eingestellten Spanarbeiten, welche nacheinander die erforderlichen nung am Potentiometer 13 ergibt. Die fest eingestellte Schaltvorgänge einleiten. Dadurch werden elektrische 40 Spannung am Potentiometer 13 entspricht der Soll-Kontakte bzw. Relais betätigt, welche die Magnet- spannung am Lastwiderstand 12 für den Anfangsventile betätigen und die Verbindungen der Drei- meßwert des Analysators. Weicht die Sollspannung fachschalter herstellen. am Lastwiderstand 12 von der Eichspannung ab, ist

Der an die Ausgangsklemmen 2, 3 des Gasanaly- also die Eingangsspannung des Schrittreglers von sators anzuschließende Meßumformer weist in seinem 45 Null verschieden, so betätigt der Regler in bekannter Eingang den gegengekoppelten Verstärker 1 auf, Weise mit seinem Schaltausgang über den Stellmotor dessen Eingangsspannung eine am Potentiometer 15 14 den Abgriff des Potentiometers 15, wodurch die des Netzwerkes 4 einstellbare feste Spannung (Unter- Unterdrückungsspannung im Eingang des Verstärdrückungsspannung) entgegengeschaltet wird und kers 1 schließlich so eingestellt wird, daß die Eindessen Gegenkopplung durch das in seinem Ausgang 50 gangsspannung des Schrittreglers zu Null wird und befindliche Potentiometer 21 einstellbar ist. Das die Sollspannung mit der Eichspannung überein-Netzwerk4 wird von der Konstantspannung 5 ge- stimmt. Damit ist der erste Eichschritt des Meßspeist und liefert außerdem für den Eichvorgang Umformers, der Änderungen des Anfangswertes bzw. zwei durch die Potentiometer 13 und 19 einstellbare Nullpunktes des Analysators ausgleicht, ausgeführt. Eichspannungen, die der Spannung am Lastwider- 55 Für den Fall, daß der Meßbereich des Analysators stand 12 des Verstärkers entgegengeschaltet werden. bei der Meßgröße Null beginnt, muß seine Aus-Sie entsprechen den Sollspannungen am Lastwider- gangsspannung allgemein etwas angehoben werden, stand des Verstärkers für die beiden Eichwerte des so daß der Meßgröße Null bereits eine gewisse Aus-Analysators, die an sich innerhalb des Meßbereiches gangsspannung entspricht. Diese Ausgangsspannung beliebig gewählt werden können, jedoch zweck- 60 ist so groß zu wählen, daß auch die größten Nullmäßigerweise der Anfangswert (unter Umständen punktsänderungen nicht zu einer Spannungsumkehr auch von Null verschieden) und der Endwert sind. des Ausgangssignals führen können. Dann läßt sich Die Differenzspannungen werden durch den Drei- jede Nullpunktsänderung, wie beschrieben, stets mit fachumschalter e„ n,, O₁ auf den Schrittregler 6 ge- einer Spannung gleicher Polarität berichtigen,
geben, dessen Schaltstufen 16 und 17 in bekannter 65 Ganz analog verläuft der Einstellvorgang für den Weise den jeweils angeschlossenen Stellmotor 18, 14 Meßbereichendwert des Analysators. Das Programmoder 23 in seiner Drehrichtung umsteuern. Diese schaltwerk leitet zu diesem Zweck durch Steuerung Stellmotoren verstellen, wie angedeutet, für den Eich- der Magnetventile das entsprechende Prüfgas zum

Analysator und schließt nach Öffnen des Schalters /J₁ den Schalter e_v Ferner wird der Stellmotor 14 vom Ausgang des Schrittreglers abgetrennt und der Stellmotor 18 durch Schließen des Kontaktes e₂ angeschaltet. Damit ist die dem Meßbereichendwert des Analysators entsprechende Eichspannung, die am Einstellpotentiometer 19 und am Widerstand 20 des Netzwerkes abgenommen wird, gegen die Spannung am Lastwiderstand 12 des Meßverstärkers 1 geschaltet und die Differenz beider Spannungen dem Eingang des Schrittreglers zugeführt. Diese Differenz wird nun dadurch zu Null gemacht, daß der Stellmotor 18 den Abgriff am Gegenkopplungswiderstand 21 des Meßverstärkers 1 verstellt.

Nach Beendigung des selbsttätigen Abgleichvorganges bleibt der Stellmotor 18 stehen. Der zweite Eichschritt, der den Endwert des Analysators neu einstellt, ist durchgeführt, und eine etwaige vorangegangene Änderung der Meßempfindlictikeit wurde ausgeglichen. Da die beiden Eichschritte vollständig unabhängig voneinander sind, erübrigt sich eine nochmalige Überprüfung der Nullpunkteinstellung.

Im weiteren Verlauf des Programms wird wieder das Meßgas dem Analysator zugeführt und von den Schaltern e_v n_v b_t der Schalter b_x geschlossen. Dieser Schaltvorgang bewirkt, daß der Spannung am Lastwiderstand 12 des Meßverstärkers 1 über das galvanisch trennende Glied 22 eine Spannungskomponente aus dem Ausgang des Meßverstärkers 8 entgegengeschaltet ist. Mit Hilfe des Stellmotors 23, der durch den Schalter b₂ an den Ausgang des Schritt-.reglers angeschlossen wird, erfolgt eine selbsttätige Verstellung des Potentiometers 11 der im Eingang des Meßverstärkers 8 befindlichen, von der Konstantspannungsquelle 9 gespeisten Widerstandsbrückenschaltung 10. Der Stellmotor kommt zur Ruhe, wenn die Gegenspannung gleich der Spannung am Lastwiderstand 12 ist. Der Strom / im Ausgang des Meßverstärkers 8, der den Ausgangsstrom des Meßumformers bildet, ist somit stets proportional der Ausgangsgröße des Meßverstärkers 1 und ein Maß für die jeweilige Meßgröße des Analysators, beispielsweise dem prozentualen Anteil einer bestimmten Gaskomponente im Meßgas. Da es sich um einen eingeprägten Strom handelt, können nach Bedarf Geräte zur Anzeige, Registrierung oder Regelung des Analysenwertes in Reihenschaltung in den Stromkreis eingeschaltet werden.

Stets bleibt, wenn ein neuer Eichzyklus durch die Schaltuhr eingeleitet wird, der dem letzten Meßwert entsprechende Ausgangsstrom während des Eichvorganges bestehen. Diese vorteilhafte Speicherung des Meßwertes erleichtert den Vergleich der Meßergebnisse vor und nach dem Eichvorgang und verhindert das sonst unumgängliche Abschalten der an den Ausgang angeschlossenen Einrichtungen, was insbesondere bei der Verwendung des Gerätes für Regelzwecke von Bedeutung ist.

Claims (7)

Patentansprüche: 60

1. Elektrischer Meßumformer mit automatischer Eicheinrichtung, die bei Aufgabe von vorgebenen Meßgrößen (Eichwerten) auf den dem Meßumformer vorgeschalteten Meßwertgeber entsprechende elektrische Größen im Meßumformer mit fest einstellbaren elektrischen Eichgrößen vergleicht und bei der auftretende Differenzspannungen Regler beaufschlagen, welche das Übertragungsverhalten des Meßumformers beeinflussen, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender an sich bekannter Merkmale:

,. ■ a) Im Eingang des Meßumformers liegt ein gegengekoppelter Verstärker (1), dessen elektrischer Eingangsgröße eine entsprechende einstellbare feste elektrische Größe (Unterdrückungsgröße) entgegengeschaltet ist und dessen Gegenkopplung einstellbar ist;

b) dem Ausgang des Verstärkers ist unter Zwischenschaltung eines ersten Dreifachumschalters (e_v n_v O₁) ein Regler (6) nachgeschaltet, dessen Ausgang über einen zweiten Dreifachumschalter (e₂, «₂, b_z) auf drei verschiedene Stellmotoren (18, 14, 23) schaltbar ist;

c)' die Stellmotoren (18, 14, 23) wirken jeweils auf die Einstellvorrichtung (15; 21) für die Unterdrückungsgröße und die Gegenkopplung des Eingangsverstärkers sowie auf eine Einstellvorrichtung (11) für die von einer besonderen Stromquelle erzeugte elektrische Ausgangsgröße.des Meßumformers;

d) die beiden Dreifachumschalter werden synchron zugleich mit der Aufgabevorrichtung für Meßgrößen auf den Meßwertgeber verstellt;

e) der erste schaltet gegen die Ausgangsgröße des Eingangsverstärkers für den Eichvorgang entsprechende einstellbare feste elektrische Größen und für den Meßvorgang eine elektrische Größe, die von der Ausgangsgröße des Meßumformers abgeleitet ist, und führt Spannungsdifferenzen dem Reglereingang zu.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (6) ein Schrittregler ist, bei dem jeweils eine Schaltstufe (16 bzw. 17) im Ausgang anspricht, wenn seine Eingangsgröße vom Wert Null nach positivem oder negativem Wert tendiert, und bei dem durch die Schaltstufen die Drehrichtung des durch den nachgeschalteten Dreifachumschalter (e_v /I₂, b₂) angeschlossenen Stellmotors (18 bzw. 14 bzw. 23) bestimmt ist.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Eingangsverstärker (1) zugeführte und durch einen Stellmotor (14) eingestellte Unterdrückungsgröße als Teilspannung eines von einer Konstantspannungsquelle(5) gespeisten Widerstandsnetzwerkes (4) abgegriffen ist.

4. Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Widerstandsnetzwerk (4) auch die fest einstellbaren Eichgrößen in Form elektrischer Spannungen entnommen sind.

5. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle für die Ausgangsgröße des Meßumformers ein gegengekoppelter Verstärker (8) mit eingeprägtem Ausgangsstrom ist, deren Einstellvorrichtung durch eine im Eingang des Verstärkers liegende, einstellbare, mit konstanter Spannung gespeiste Brückenschaltung (10) gebildet ist.

6. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die synchron mit der Aufgabevorrichtung für Meßgrößen auf den Meßwertgeber einzustellenden Dreifachumschalter {e_v /J₁,0₁ bzw. e₂, n₂, 6_?) wahlweise von Hand oder von einem auch die Aufgabevorrichtung

steuernden Programmschaltwerk automatisch einstellbar sind.

7. Meßumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Programmschaltwerk durch eine Schaltuhr in einstellbaren Zeitintervallen in Gang gesetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen