DE1791050A1 - Messgeber - Google Patents

Description

Dip!. Ing. R. Mertens

Patentanwalt . 1 Frankfurt/M., AmtrtilburgsUäße 34 .

Of-3519 Ge .

. Frankfurt am' Main,

den [4 Sep. 1368

HONEYWELL INC.
27OI Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Meßgeber

Die Erfindung betrifft einen über eine zweiadrige Leitung an ein auf Stromänderungen ansprechendes Auswertegerät anschließbaren und von dort mit Strom versorgten Meßgeber.

Xn der industriellen Prozeßsteuerungstechnik müssen in den zu steuernden Prozessen die unterschiedlichsten Messungen vorgenommen werden. Dabei hat oft das von dem Meßfühler abgegebene Signal nur eine Spannung von wenigen mV. Derart schwache Spannungssignale können weder zur direkten Steuerung eines Prozesses verwendet noch zu einem in der Regel'weit entfernt liegenden und die Signale verschiedener Meßfühler auswertenden Auswertegerät geführt werden, sondern sie müssen verstärkt, kompensiert und in ein' genügend starkes Stromsignal umgewandelt werden. Daher ist es notwendig, das Signal des Meßfühlers über zwei kompensierte Leitungen zu einem aus räumlichen und me;.i-

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technischen Gründen gewöhnlich entfernt aufgestellten Wandler zu geben. Die langen und teuren Zuleitungen waren hierbei die Ursache für viele meßtechnische Schwierigkeiten, die bisher unvermeidlich waren. Darüber hinaus müssen die Wandler mit Energie versorgt werden·, was entweder von einer entfernten Energiequelle aus über zwei dafür vorgesehene Energieleitungen oder durch eine neben dem Wandler befindliche Energiequelle geschieht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Meßgeber zu offenbaren, bei dem ein verbesserter Wandler zum Einsparen der kompensierten Zuleitungen mit einem Meßfühler vereint oder direkt neben dem Meßfühler aufstellbar ist.'Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Meßgeber zu offenbaren, der seine Meßwerte an ein Auswertegerät gibt und der vom Auswertegerät mit Energie versorgt wird, wobei-zur Signal- und Energieversorgung nur eine zweiadrige Leitung benötigt wird.

Im Prinzip wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der erfindungsgemäße Meßgeber zwei an die Leitung angeschlossene, parallele Stromzweige enthält, von denen der eine einen konstanten Versorgungsstrom aufnimmt und einen Steuersignalgenerator zur Umwandlung der Meßgröße in eine Änderung des Stromes im anderen Stromzweig aufweist. Nach einer Übereinkunft soll sich der Wert des von der zweiadrigen Leitung übertragenen Stromes zwischen H und 20 mA bewegen. Der Strom auf der Leitung setzt sich

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zusammen aus einem Anteil, dessen Größe vom Meßwert abhängig ist und einem konstanten Anteil, der der Energieversorgung des Meßgebers dient. Da dieser Anteil aber konstant ist, läßt er sich leicht im Auswertegerät berücksichtigen. Der Versorgungsstrom muß kleiner als 4 mA sein, da der Signalstrom einen Viert zwischen 4 und 20 mA hat.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Meßgeber derart ausgestaltet, daß der Steuersignalgenerator mit seinem Eingang an den Meßfühler und mit seinem Ausgang an eine in den anderen Stromzweig eingeschaltete, steuerbare Widerstands-Ordnung angeschlossen ist.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßgebers empfiehlt es sich, 'daß der Steuersignalgenerator einen Meßkreis aufweist, an dessen Eingang ein eine niedrige Gleichspannung abgebender Meßfühler angeschlossen ist und daß der Meßkreis durch den konstanten Stromkreis gespeist ist.

Eine besonders günstige Lösung ergibt sich, wenn der Meßkreis eine Widerstandsbrücke umfaßt, in deren ersten Zweig der mit seinem einen Ende an ein Bezugspotential angeschlossene Fühler liegt und in deren an den ersten angrenzenden zweiten Zweig eine Temperaturkompensationsvorrichtung eingefügt ist, die mit der Bezugsspannüng in Verbindung steht.

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Der erfindungsgemäße Meßgeber ist darüber hinaus in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung derart ausgestaltet, daß der Steuersignalgenerator einen die niedrige Fühlerspannung verstärkenden, mehrstufigen Verstärker enthält, daß der Konstant-Stromkreis ein erstes und ein zweites Konstant-Stromelement aufweist, daß die beiden Konstant-Stromelemente parallelgeschaltet sind, daß dem ersten Konstant-Stromelement ein

" dem

erstes Konstant-Spannungselement und/zweit.en Konstant-Stromelement ein zweites Konstant-Spannungselement nachgeschaltet ist, und daß der Meßkreis von dem ersten Konstant-Spannungselement und der mehrstufige Verstärker von dem' zweite-h. Könstant-Spannungselement mit Energie versorgt ist.

Eine besonders günstige Lösung ergibt sich weiterhin, wenn die Konstant-Stromelemente jeweils einen Feldeffekttransistor aufweisen, dessen Hauptelektroden mit einem .Widerstand in Reihe geschaltet sind und dessen Gatterelektrode imit dem nicht an die Hauptelektroden angeschlossenen Ende des Widerstandes verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgebers wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen ^: Meßgebers, der mit einem entfernt liegenden .Auswertegerät? über eine ".zweiadrige Leitung verbunden ist und als Meßfühler . " "■·'■-■ ·■:*;>■■■ 109 8 U/ CU 9 9 '

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ein Thermoelement aufweist,

Figur 2 das Schaltbild des Ausführungsbeispieles nach Figur 1,

Figur 5 die Ansicht eines ein Thermoelement aufnehmenden Schutzrohres, an dem der Meßgeber'nach Figur 2 befestigt ist, -■■■■ ' ■

Figur 4 einen Teil des Schaltbildes nach Figur 2, bei dem statt fester einige veränderbare Bauteile eingefügt wurden, ' ■

Figur 5 einen Teil des Schaltbildes nach Figur 2, bei dem in den Eingangskreis als F-ühler ein Widerstandsthermometer eingeschaltet ist und

Figur 6 einen Teil des Schaltbildes nach Figur 2 mit Dehnungsmeßstreifen im Eingangskreis.

In Figur 1 ist ein stark vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Meßgebers 4 dargestellt, an den als Meßfühler ein Thermoelement 2 angeschlossen ist. Die Ausgänge des Meßgebers sind über die beiden Leitungen 6 und 8 mit einer .entfernt liegenden Geräteeinheit 10 verbunden. Die Leitungen und 8 sind teilweise durch eine gebrochene Linie dargestellt,.

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um anzuzeigen, daß die Entfernung zwischen Geräteeinheit 10 und Meßgeber 4 sehr groß seih und mehrere Kilometer "betragen kann. In der Geräteeinheit 10 können ein oder mehrere, durch die Signale des Meßgebers gesteuerte Instrumente eingebaut sein, wie beispielsweise Anzeige-, Registrier- oder Steuergeräte. Diese Geräte werden in Figur 1 summarisch als Auswertegerät 12 bezeichnet. In der entfernt liegenden Geräteeinheit befindet sich weiterhin eine Energiequelle 14, die durch eine Batterie angedeutet ist.

Wie weiter unten noch genauer beschrieben wird, ist der Ausgangskreis des Meßgebers 4 mit einer steuerbaren Widerstandsanordnung versehen, durch die.der von der Energiequelle 14 ausgehende und über die Leitungen 6, 8 und den Meßgeber 4 in das Auswertegerät 12 gelangende Strom gesteuert wird. Die steuerbare Widerstandsanordnung wird von .einem Steuersignalgenerator angesteuert, an dessen Eingang das Thermoelement 2 liegt. Die Signalspannung des Thermoelementes beträgt nur wenige mV und wird im Signalgenerator des Meßgebers' 4 verstärkt. Die Energiequelle 14 stellt nicht nur den vom Ausgang des Meßgebers 4 gesteuerten Strom zur Verfügung, sondern dient auch gleichzeitig zur Energieversorgung der die Steuerung des Stromes bewirkenden Teile des Meßgebers. Auf diese Weise wird durch die den Meßgeber 4 mit der entfernt liegenden Geräteeinheit 10 verbindenden Leitungen 6 und 8 sowohl das zur Steuerung des Auswertegerätes 12 notwendige Signal als auch

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der Versorgungsstrom für den Meßgeber 4 übertragen.

In Figur 2 ist eine bevorzugte Schaltung des Meßgebers 4 dargestellt . Die Leitung 6 ist mit der Senkenelektrode eines ersten Feldeffekttransistors' 16 verbunden, dessen Quellelektröde über einen veränderbaren Widerstand 18 und eine Temperaturkompensationsdiode 20 an einen Verbindungspunkt 22 ^ angeschlossen ist. Die Gatterelektrode des Transistors 16 steht

dem über den Verbindungspunkt 22 und die Diode 20 mit/nicht mit dem Transistor 16 verbundenen Ende des Widerstandes 18 in Verbindung. Der in dieser Art geschaltete Transistor 16 bildet ein sehr stabiles Konstant-Stromelement. Zwischen dem Verbindungspunkt 22 und einer eine Bezugsspannung führenden Leitung 24 liegt eine Zenerdiode 26, die zusammen mit dem Widerstandes ein Konstant-Spannungselement bildet. Der zur Eichung des Konstant-Spannungselementes dienende Widerstand 28 liegt zwischen dem Verbindungspurikt 22 und der Klemme 30. An die Klemme 30 ^

und die mit der Bezugsspannungsleitung 24 verbundene Klemme ist ein Meßkreis 32 angeschlossen. Der Meßkreis 32 ist eine Widerstandsbrücke'. In seiner in Figur 2 dargestellten Form ist er speziell für die Verwendung eines Thermoelementes als Meßfühler zugeschnitten und enthält daher eine sehr gut kompensierte Vergleichsstelle, die oft auch als kalte Verbindung bezeichnet wird. Die Widerstandsbrücke enthält einen an die.Klemme. 30 angeschlossenen Widerstand 36, der den ersten Brüekenzweig bildet. An die Klemme 30 ist weiterhin der zweite

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Brückenzweig angeschlossen, der aus dem Widerstand J>& besteht. Der zwischen dem Widerstand 36 und der Klemme j54 liegende dritte Brückenzweig enthält einen Widerstand 40 und das Thermoelement 2. Um die Kompensation des Thermoelementes zu verbessern, ist der zwischen dem Widerstand 3>8 und . der Klemme 3>4 befindliche vierte Brückenzweig ein aus mehreren Widerständen

W zusammengesetztes Netzwerk. Dieses Widerstandsnetzwerk weist einen ersten; direkt zwischen dem Widerstand 38 und der Klemme J54 liegenden temperaturabhängigen Widerstand 42, einen zwischen der Brückenausgangsklemme 46 und dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände 38 und 42 befindlichen Widerstand 44 und eine mit der Brückenausgangsklemme 46 und der Klemme 34 verbundene, aus mehreren Widerständen bestehende Serienschaltung auf. Diese Serienschaltung besteht aus einem temperaturabhängigen Widerstand 48, einem Widerstand 50, einem weiteren temperatur-

£ abhängigen Widerstand 52 und einem Widerstand 54. Der¹Verbindungspunkt der beiden Widerstände 36 und 40 ist direkt zu der zweiten Brückenausgangsklemme'56 geführt'.

Jede der beiden Brückenausgangsklemmen 46 und 56 ist mit jeweils einer der beiden symmetrisch zueinander'liegenden, leitenden . Elektroden eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gatter verbunden. Das Gehäuse des Transistors 58 ist an die Bezugsspannungsleitung 24 angeschlossen. Das Gatter des Transistors ist,'über einen Widerstand 62 zur Ausgangsklemme eines Multivibrators 60-geführt. Der Multivibrator 60 weist, wie üblich,

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zwei Transistoren auf und schwingt mit irgendeiner geeigneten Frequenz, beispielsweise 200 Hz. Ein eine geeignete Vorspannung erzeugender Widerstand 64 liegt zwischen dem Gatter des Transistors 58 und der Bezugsspannungsleitung 24. Der auf diese Weise·geschaltete Transistor 58 dient einmal als•Signalzerhacker und zum anderen als eine differenzbildende Eingangsstufe, durch die die Differenz zwischen den an den Klemmen 46 ·· und 56 liegenden Potentialen auf einen Wechselstromverstärker gegeben wird.

Die mit der Brückenklemme 56 verbundene Elektrode des Transistors 58 ist über einen Koppelkondensator 66 an die Basis des Transistors 68 angeschlossen. Der Transistor 68 bildet die erste Stufe eines vierstufigen Transistorverstärkers. Der Emitter des Transistors 68 ist_ zu der Bezugsspannungsleitung geführt. Der Kollektor des Transistors 68 ist über einen Lastwiderstand 70 mit einer noch zu beschreibenden Energieversorgungsschaltung verbunden. Der Kollektor des Transistors 68 ist darüber hinaus noch mit der Basis des die zweite Stufe des Transistorverstärkers bildenden Transistors 72 verbunden. Der Emitter dieses Transistors ist in gleicher Weise an die Bezugsspannungsleitung 24 angeschlossen, während sein Kollektor über einen Lastwiderstand 74 an der bereits erwähnten Energieversorgun^sschaltung liegt. Der Kollektor des Transistors 72 ist außerdem zu der Basis des die dritte Stufe bildenden

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Transistors 76 geführt. Der Emitter dieses Transistors 76 liegt wiederum an der Bezugsspannungsleitung 24, während sein Kollektor mit der Basis des die vierte Stufe des Verstärkers bildenden Transistors 80 und über einen Lastwiderstand 78 mit einer Energieversorgungsleitung 98 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 80 ist über einen Emitterfolgewiderstand 82 an die Bezugsspannungsleitung 24 angeschlossen, während sein Kollektor über den Lastwiderstand 84 zu der Energieversorgungsleitung 98 geführt ist.

Die vierte Stufe des Wechselstromverstärkers ist mittels der Leitung 86 auf die erste Stufe rückgekoppelt,·wobei durch diese Leitung der Emitter des Transistors 80 an ein zur Erzeugung einer Vorspannung dienendes und mit dem Transistor 68 in Verbindung stehendes Netzwerk angeschlossen ist. Zu diesem Netzwerk gehören die beiden in Serie geschalteten Widerstände 83 und 90, wobei diese Serienschaltung zwischen der Basis des Transistors 68 und der Bezugsspannungsleitung 24 liegt. Parallel zum Widerstand 90 liegt der Bypass-Kondensator 92. Die Rückkopplungsleitung 86 ist über einen Widerstand 87,an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände 88 und 90 geführt.

Die bereits erwähnte Energieversorgungsschaltung für den vierstufigen Verstärker weist ein zweites Konstant-Stromelement auf, welches dem bereits beschriebenen und den Feldeffekttransls-tor 16 aufweisenden im wesentlichen gleich ist.

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Das zweite Konstant-Stromelement 1st mit einem Feldeffekttransistor 94 versehen, dessen Senkenelektrode an die Leitung angeschlossen ist. Die Quellelektrode des Transistors 94 ist über einen einstellbaren Widerstand 96 mit der Energieversorgungsleitung 98 verbunden.* Die zu einem zweiten Konstant-Spannungselement gehörende Zenerdiode 100 liegt zwischen der Leitung 98 und der Bezugsspannungsleitung 24, so daß die Spannung zwischen diesen beiden Leitungen konstant ist. Zur Trennung zwischen den vorderen und hinteren Verstärkerstufen, die bei Verstärkern mit hohem Verstärkungsgrad notwendig ist, um schädliche Beeinflussung der Stufen untereinander sowie unerwünschte Schwingungen zu verhindern, ist eine dynamisch arbeitende Trennstufe 102 vorgesehen, .die durch einen Transistor gebildet ist, dessen Kollektor an der Energieversorgungsleitung liegt und dessen Basis zum Verbindungspunkt des veränderbaren Widerstandes l8 mit der Temperaturkompensationsdiode 20 geführt ist. Der Emitter des Transistors 102 ist mit den beiden Lastwiderständen 70 und 74 verbunden, die mit ihren anderen Enden am Transistor 68 bzw.· 72 liegen. Auf diese Weise ist der Kollektor des Transistors 102 mit einem Punkt mit durch die Zenerdiode konstant gehaltener Spannung verbunden, während seine Basis an einen Punkt mit durch die Zenerdiode 26 konstant gehaltener Spannung angeschlossen ist. Die von der-Zenerdiode 100 erzwungene Spannung muß etwas größer sein als die von der Zenerdiode 2β erzwungene. So war in einera bestimmten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung die Spannung der Zenerdiode 100

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K-v. währpnd die an der Zenerdiode 26 ungefähr 6.4 V betrug.

Am Emitter des Transistors 102 erscheint die Basisspannung abzüglich des Basisemitterspannungsabfalles, wodurch die beiden Lastwiderstände 70 und "Jk an einer konstanten Spannung liegen. Der Kollektor dieses Transistors, der seine Energie von der Energieversorgungsleitung 98 bezieht, ist für diese Leitung ein Konstant-Stromverbraucher. Auf diese Weise werden Störungen auf der Leitung 98 durch die dynamisch arbeitende Trennstufe 102 so stark herabgesetzt, daß sie kaum Einfluß auf die vorderen Transistor£tufen haben.

Das'Ausgangssignal des Verstärkers gelangt über den mit dem Kollektor des Transistors 80 verbundenen Koppelkondensator 104 zu einer Demodulatorschaltung. Der Demodulator ist mit den beiden Feldeffekttransistoren ΙΟβ und 108 versehen, wobei die Hauptelektroden des Feldeffekttransistors ΙΟβ mit dem Koppelkondensator 104 bzw. einem Ausgangskreis und die Hauptelektroden des Feldeffekttransistors 108 mit dem Koppelkondensator .104 ,bzw. der Bezugsspannungsleitung 24- verbunden sind. Das Gatter des Transistors ΙΟβ ist über einen Widerstand 110 an eine Ausgangsklemme des Multivibrators βθ geführt, an die auch das Gatter des Transistors 53 angeschlossen ist. Das Gatter des Transistors 108 ist über einen Widerstand 112 mit der gegenüberliegenden Ausgangsklemme des Multivibrators 60 verbunden. Auf diese Weise werden die beiden Feldeffekttransistoren 106 und 108 abwechselnd durch das Ausgangssignal des

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Multivibrators 6O geöffnet und geschlossen. Die Steuerung der Transistoren ΙΟβ und 158 ist synchron und gleichphasig.

Der mit dem Transistor ΙΟβ verbundene Ausgangskreis vielst einen zwischen der Ausgangselektrode des Transistors ΙΟβ und der Bezugsspannungsleitung 24 liegenden Glättungskondensator Il4 auf. Die Ausgangselektrode des Transistors ΙΟβ ist über zwei · in Serie geschaltete Koppeldioden 115 mit der Basis des Transistors 116 verbunden. Der Transistor II6 bildet die erste Stufe einer Darlington-Schaltung, deren zweite Stufe durch den Transistor IIS dargestellt ist. Der Transistor Ho erhält von der Energieversorgungsleitung 98 über einen Widerstand 120 seine Basisspannung.. Der Kollektor des Transistors 116 ist zum Kollektor des Transistors HS geführt, und beide Kollektoren liegen an der Leitung 6. Der Emitter des Transistors 116 ist an die Basis des Transistors II8 angeschlossen, während der Emitter des Transistors II8 über einen niederohmigen Widerstand 122 mit der Bezugsspannungsleitung 24 verbunden ist." Über einen niederohmigen Präzisionswiderstand 124 ist die Bezugsspannungsleitung 24 im Verbindungspunkt 126 an die andere Leitung 8 angeschlossen. Von diesem Verbindungspunkt 126 geht eine Leitung 128 aus, die zu einem Widerstand' 130 läuft, der mit seinem anderen Ende am Verbindungspunkt der beiden Widerstände 50 und 52 des Meßkreises 32 liegt. Durch diese Verbindung wird eine gleichstrommäiäige Rückkopplung für den Meßgeber erzielt.

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Während des Betriebes wird die elektrische Energie auf den Leitungen 6 und 8 in mindestens zwei parallele Stromzweige aufgeteilt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßgebers wird der eine der beiden Stromzweige, wie weiter unten näher beschrieben, nochmals in zwei parallele Strompfade geteilt, wobei der eine durch den Meßkreis und der andere durch den Verstärker geht. Der

_Ä andere der beiden Stromzwei.ge ist mit einer der Steuerung des durch ihn fließenden Stromes dienenden, steuerbaren Widerstandsanordnung versehen. Die beiden, den einen Stromzweig bildenden Strompfade weisen jeweils ein Konstant-Stromelement auf, welches dafür sorgt, daß der Strom durch den einen Stromzweig konstant ist. Die Stromversorgung der aktiven Elemente des Meßgebers erfolgt über diese Konstant-Stromelement< die daher aus den beiden Leitungen 6 und 8 einen konstanten Strom entnehmen. Dieser Versorgungsstrom ist so gewählt, daß er unter dem Mindeststrom des für das Auswertegerät 12 vor-

™ gesehenen Strombereiches liegt. Wie bereits erwähnt, wurde bei einer praktischen Ausführungsform des Meßsystemes der Strombereich für den Betrieb des Auswertegerätes 12 festgelegt, wobei man den Bereich zwischen 4 und 20 mA gewählt hat. Demgemäß, muß der vom ersten Stromzweig aufgenommene und der Versorgung des Meßgebers dienende Strom kleiner als 4 mA sein. Der^ andere Stromzweig, der abhängig von der Größe des Meßsignales gesteuert wird und der einzig veränderbare Strompfad in dem Meßgeber ist, bedingt die Stromänderuns zwischen 4 und 20 mA in den Leitungen 6 und 8. Auf diese Weise wird der Meßgeber von einer entfernt liegenden, in Figur 1

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symbolisch durch eine Batterie angedeutetenEnergiequelle über die gleichen Leitungen 6 und 8 gespeist, über die gleichzeitig auch noch die den gemessenen Werten entsprechenden Stromsignale geleitet werden. Durch die neben dem Auswertegerät 12 aufgestellte Energiequelle läiBt sich theoretisch auch gleichzeitig noch das Auswertegerät mit Energie versorgen.

Der an die Leitung 6 angeschlossene Feldeffekttransistor 16 bildet zusammen mit dem Widerstand 18 ein höchst wirksames Konstant-Stromelement. Der veränderbare Widerstand 18 hat zwei Aufgaben, einmal erhöht er den Serienwiderstand des Transistors 16 und zweitens hilft er, durch die Gegenkopplung zwischen Quellen- und Gatt ere.lektr öde eine bestimmte und gleichbleibende Strommenge einzustellen. Da dieses Konstant-Stromelement zur Energieversorgung des Meßkreises dient, der sehr empfindlich ist, wurde zur Temperaturkompensation eine Temperaturkompensationsdiode 20 eingefügt, die die Leitfähigkeitsänderungen des Transistors 16 bei Temperaturschwankungen ausgleicht·.

Die Zenerdiode 26 zwischen dem Verbindungspunkt 22 und der Bezugsspannungsleitung nimmt den Strom über den Transistor auf und erzeugt zur Speisung des Meßkreises 32 eine höchstkonstante Spannung. Als Zenerdiode kommt vorzugsweise ein temperaturkompensierter,, selbstregelnder Diodentyp in Frage. Mittels des* veränderbaren Widerstandes 28 läßt sich sehr genau eine bestimmte SRannung zwischen den beiden Klemmen >0

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und 34 einstellen, die für den Meßkreis geeignet ist. Bei einer Erwünschten Spannung von genau 6 V zwischen den Klemmen 30 und 34 kann die Spannung über der Zenerdiode 26 beispielsweise 6· 4 ν betragen.

.Wie bereits erwähnt, besteht der Meßkreis im wesentlichen aus einer Widerstandsbrücke mit den Klemmen 30 und 34 als Eingangsklemmen zur Energieaufnahme und den Klemmen 46 und 56 als Ausgangsklemmen. Da der .Meßfühler in. einen der Widerstaridszweige eingefügt ist, fließt auch ein Teil des Energiestromes durch diesen. Hierdurch wird eine automatische Alarmvorrichtung gebildet, die sofort anzeigt, daß der Meßfühler durchgebrannt oder kurzgeschlossen ist* Die Widerstände 36, 38, 40, 42, 44, 48, 50, 52 und 54 der Brücke sind derart dimensioniert, daß bei den verschiedensten Anwendungsfällen mögliche Störungen im Meßkreis unterdrückt werden. Die Widerstandswerte ergeben sich dabei aus der Brückentheorie. Die Abhängigkeit des Thermostromes von der Temperatur ist annähernd quadratisch und dementsprechend sollte auch die Kompensation an der auch kalte Verbindung genannten Vergleichsstelle einen derartigen Verlauf haben. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird diese quadratische Abhängigkeit durch den temperaturabhängigen Widerstand. 42,· den festen Widerstand 44, ·· temperaturabhängigen Widerstand 43 und den festen Widerstand 50 erreicht.. Die Widerstandswerte der Widerstände 52 und 54 sind sehr viel kleiner als die der Widerstände 48 und 50,

so daß ihr Einfluß auf die Kompensation der Vergleichsstelle . - ; 1098U/0499,

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vernachlässigbar ist. .

Mittels des Widerstandes IJO wird der Meßbereich des Meßkreises festgelegt. Da sich aber auch der Meßbereich mit der Temperatur ändern kann, sorgt der temperaturabhängig Widerstand 52 zusammen mit dem festen Widerstand 54 für die Kompensation temperaturbedingter Meßbereichsänderungen. Wie oben schon beschrieben, haben wegen ihres geringen Widerstandswertes diese beiden Widerstände kaum Einfluß auf die Kompensation der Vergleichsstelle.' Der Meßfühler 2 befindet sich auf einer Brückenseite, die als positive Brückenseite bezeichnet werden soll, während die kompensierenden Bauteile alle auf der anderen, der negativen Brückenseite liegen. In der hier gezeigten Anordnung ist die Impedanz zwischen dem Meßpunkt der Thermoelementes 2 und der Bezugsspannungsleitung sehr klein. Sie setzt sich zusammen aus der Impedanz des Thermoelementes selbst und dem Widerstand der Leitung 24, den man praktisch vernachlässigen kann. Das· Vorhandensein einer Impedanz im Kreis des Bezugsspannungsdrahtes des Thermoelementes bei einigen der bekannten Meßkreise führte zu erheblichen Schwierigkeiten wegen der auftretenden Störsignale, die durch Erdung oder teilweise Erdung des Thermoelementes hervorgerufen wurden. Die dadurch bedingten Fehlströme erzeugten an der Impedanz in dem Bezugsspannungsdraht des Thermoelementes Störspannungssignale, die auf den Eingang des Verstärkers gelangten. In dem hier beschriebenen, erfindungs-

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gemäßen Ausführungsbeispiel ist der einzige, nicht zu vernachlässigende Widerstand in dem an den Bezugsspannungsdraht des Thermoelementes angeschlossenen Kreis der Rückkopplungswiderstand 124. Dieser Widerstand ist derart geschaltet, daß die an ihm erzeugten Störsignale mit einem Paktor abgeschwächt werden, der gleich dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist. Daher wird bei einer Verstärkung-des

Verstärkers von 1000 die Wirkung der Störsignale auf i

1000

gedämpft. Um selbst diese Wirkung noch möglichst gering zu halten, wird das Thermoelement in seinem Schutzrohr derart befestigt, daß es sowohl vom Rohr als auch von irgendeinem anderen kurzschließenden Kontakt elektrisch getrennt ist. Die bei anderen Meßgeräten notwendige Trennung zwischen Eingangsund Ausgangskreis zur Verhinderung· von durch, die Erdung des Thermoelementes bedingten Störspannungen ist bei dem erfindungsgemäßen Meßgeber weitgehend überflüssig.

Die Ausgangsklemme 56 des Meßkreises J2 ist an die positive Brückenseite angeschlossen. Die an dieser Klemme gegenüber der Bezugsspannungsleitung 24 liegende Spannung setzt sich zusammen aus der Ausgangsspannung des Thermoelementes und einem positiven Unterdrückungssignal. Die Ausgangsklemme 46 des Meßkreises J52 liegt auf der negativen Brückenseite,und die Spannung an dieser Klemme gegenüber der Bezugsspannungsleitung 24 entspricht der Summe aus der Kompensationsspannung

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der Vergleichsstelle und einem negativen Unterdrückungssignal. Die Klemmen 46 und 56, an denen jeweils eine von der Spannung des Thermoelementes abhängige Brückenteilspannung liegt, sind mit den Hauptelektröden des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gatter 58 verbunden. Durch das bereits beschriebene, wechselweise Schalten des Transistors 58 entsteht ein Ausgangssignal, dessen Amplitude zwischen dem Spannungswert an der Klemme 46 und dem Spannungswert an der Klemme 56 gegenüber der Bezugsspannungsleitung 24 wechselt. Das Ausgangssignal setzt sich dementsprechend aus einer Gleichspannung und einer Rechteck spannung zusammen, deren Amplitude der Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen 56 und 45 proportional ist. Die Gleichspannung wird vom Koppelkondensator 66 abgeblockt, über den nur die Rechteckspannung auf den Eingang des vierstufigen Transistorverstärkers gelangt.

Der Transistorverstärker ist bezüglich der Signalverstärkung · ein vierstufiger, direktgekoppelter Geradeausverstärker. Die der Stabilität des Verstärkers dienende Gleichstromrückkopplung geht von der Emitterfolgeschaltung des die letzte Stufe des Verstärkers bildenden Transistors 80 aus, wobei die Energie mittels der Leitung 86 über den Widerstand 87. an den Eingang des die erste Stufe des Verstärkers bildenden Transistors 68 zurüekgekoppelte wird. Ein bezeichnendes Merkmal des erfindungsgemäßen Meßgebers ist. die Art und Weise, in der der Verstärker mit Energie versorgt wird. Bei Verstärkern mit rroi^er Ver-

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Stärkung muß die Stromversorgung der hinteren Verstärkerstufen von der der vorderen Verstärkerstufen getrennt werden, da sonst der Verstärker instabil wird. In dem hier beschriebenen, erfindungsgemäßen Aüsführungsbeispiel wird der Verstärker über ein Konstant-Stromelement gespeist, welches durch den Feldeffekttransistor 94 und den veränderbaren Widerstand 96 gebildet ist und welches zwischen der Leitung 6 und der Energieversorgungsleitung 98 liegt. Zwischen der Energieversorgungsleitung 98 und der Bezugsspannungsleitung 24 ist ein Konstant-Spannungselement eingefügt;, das mit einer selbstregelnden, temperaturkompensierten Zenerdiode 100 versehen ist. Der Aufbau des Konstant-Stromelementes, welches mit dem Konstant-Spannungselement in Reihe zwischen der Leitung 6 und*der Bezugsspannungsleitung 24 liegt, ist abgesehen von der Temperaturkompensationdiode 20 gleich dem des Konstant-Stromelementes und des mit ihm in Reihe geschalteten Konstant-Spannungselementes, durch

i| welche der Meßkreis "52 mit Strom versorgt wird. Es wurde bereits erwähnt, daß die Spannung an der Zenerdiode 100 etwas größer sein soll als an der Zenerdiode 26. Auf diese Weise erhält man eine gleichbleibende Spannungsdifferenz zwischen der Energieversorgungsleitung 98 und der Bezugsspannungsleitung 24, die zur Energieversorgung der beiden Stufen 76 und 80 des vierstufigen Transistorverstärkers sowie des Multivibrators 60 ·· notwendig' 1st.

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Der Transistor 102 bildet eine dynamisch arbeitende Trennstufe im Energieversorgungskreis zwischen der Energieversorgungsleitung 98 und den die beiden'ersten Stufen des Verstärkers bildenden Transistoren 68 und 72. Da die konstante Spannung über der Zenerdiode 100 am Kollektor und die konstante Spannung über der Zenerdiode 26 an der Basis des Transistors 102 liegt, ist die Kollektorspannung und der Kollektorstro'm an diesem Transistor praktisch konstant. Auf diese 'Weise. \eriiinde:bt man, ohne die Verwendung eines RC-Netzwerkes,daß durch die beiden hinteren Stufen des Verstärkers verursachte SpannungsSchwankungen auf die beiden vorderen Stufen gelangen, wodurch der Verstärker instabil würde.

Das Ausgangssignal des Verstärkers wird über einen Koppelkondensator 104 auf einen synchron arbeitenden Demodulator gegeben, der die beiden Feldeffekttransistoren 106 und 108 aufweist. Wie bereits erwähnt, werden die beiden Transistoren durch f[ die vom Multivibrator 6o erzeugten Impulse synchron mit dem Transistor' 58 abwechselnd durchgeschaltet, wobei die Schaltimpulse des Transistors 106 und des Transistors 58 gleichphasig sind. Durch die Demodulation wird am Kondensator 114 eine Spannung erzeugt, die der Differenzspannung zwischen den beiden Klemmen Λ6 und 56 proportional ist. ·

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Diese als Steuersignal für den Ausgangskreis dienende Spannung wird über die beiden Koppeldioden 115 auf den Eingang der Darlington-Schaltung gegeben, die die beiden Transistoren 116 und 1Ϊ8 aufweist. Das Steuersignal wirkt auf die Basis des Transistors.116 ein und verändert dessen Leitfähigkeit und damit den Strom, der durch den Transistor 118 fließt, wodurch wiederum der Strom in den beiden Leitungen 6 und 8 gesteuert wird. Es muß festgehalten werden, daß der durch den Widerstand 124 fließende Gesamtstrom sich zusammensetzt aus dem Strom, der durch den Transistor 118 fließt, und dem konstanten Versorgungsstrom für den erfindungsgemäßen Meßgeber. Alle Änderungen des konstanten Versorgungsstromes infolge von TemperaturSchwankungen werden automatisch kompensiert.

Durch die geringen Abmessungen,mit denen sich der erfindungsgemäße Meßgeber mit Hilfe der integrierten oder halbintegrierten Schaltungstechnik (sogenannte Hybrids chal.tung) darstellen läßt, kann der Meßkreis und der res.t liehe Teil des erfindungs gemäßen Meßgebers in nächster Nähe zum Meßfühler 2 angebracht werden.

Eine mögliche Form der Befestigung ist in Figur 3 gezeigt. Das Thermoelement 2 sitzt wie üblich in einem Schutzrohr 132, dessen Inneres mit einem geeigneten elektrischen Isoliermaterial, beispielsweise gepreßtem Magnesiumoxyd, ausgefüllt ist. Das Isolationsmaterial umgibt das Thermoelement und isoliert sowohl die beiden Thermodrähte voneinander als auch das Thermo-

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element gegenüber dem Schutzrohr 132. Auf dem Schutzrohr sitzt wie üblich ein Kopf Ij56, in dem normalerweise nur ein Anschlußteil untergebracht ist, an das die Anschlüsse des Thermoelementes und die entsprechenden Zuleitungen geführt sind. Der Kopf wird üblicherweise durch eine Kappe abgeschlossen. In dem in Figur 3 gezeigten Aufbau ist aber zwischen der Kappe und dem Kopf 136 ein Zwischenstück Τ4θ eingefügt. Das eine Ende des Zwischenstückes weist ein Innengewinde auf, mit dem das Zwischenstück auf den Kopf 136"aufgeschraubt ist. Das andere Ende des Zwischenstückes bildet das Gehäuse 142, das den Meßgeber aufnimmt. Das Gehäuse 142 ist an seinem oberen Rand mit einen Innengewinde versehen, auf das die Kappe I38 geschraubt ist. Zwischen den beiden Enden des Zwischenstückes liegt ein dünner Hals, an dem eine aus Rippen bestehende Kühlvorrichtung 146 befestigt ist.

Am Kopf 136 ist darüber hinaus noch ein Ausgangsrohr 148 fest- IJ geschraubt, durch welches die Leitungen 6 und 8 vor der zu messenden Umgebung des Thermoelementes geschützt werden.

Das Zwischenstück l4o ist nicht zwingend notwendig, da sich der erfindungsgemäSe Meßgeber auch in den Kopf I36 einbauen läßt. Der Vorteil des Zwischenstückes l42 liegt im wesentlichen darin, daß die Temperatur im Gehäuse l40 erheblich' niedriger alö im Kopf I36 ist. Unabhängig davon, wo nun der Meßgeber eingebaut wird, ist auf jeden YnIl die lange und

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relativ teure, kompensierte Leitung zwischen dem Thermoelement ■ und dem das Signal des Thermoelementes aufnehmenden Wandler überflüssig. Es wurde bereits erwähnt, daß der Meßgeber nicht notwendiger Weise ein Thermoelement als Meßfühler aufweisen muß. Man kann vielmehr den Meßkreis als eine Baueinheit j52 und den Rest des Gerätes als eine Baueinheit 150 betrachten. Die _Ä beiden Baueinheiten werden beispielsweise mit mehreren Schrauben 152 miteinander verbunden, die gleichzeitig auch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Baueinheiten bilden können.

In Figur 1 wurden die Bauteile der Baueinheit 32 als nicht veränderbar dargestellt, so daß der Meßgeber einen festen Meßbereich und eine feste Störunterdrückung aufweist. Der Vorteil unveränderbarer Bauteile ist, daß sie in integrierter Bauweise dargestellt werden können und sehr klein sind. Soweit aber eine größere Anpassungsfähigkeit des Meßkreises wichtiger ™ als seine kleinen Abmessungen ist, versieht man den Meßkreis. mit Bauteilen, mit deren Hilfe sich der Meßbereich und die Störunterdrückung verändern lassen. Die so erhaltenen Meßkreise sehen ähnlich dem in Figur 2 gezeigten Meßkreis 32 aus.

In Figur 4 ist die Schaltung eines solchen einstellbaren Meßkreises abgebildet. Bauteile; die den in Figur 2 gezeigten entsprechen, erhalten die gleichen Bezugsziffern. Der in Figur 4. gezeigte Meßkreis 152 wird über die Klemmen 30 und 34 von einer Konstant-Spannungsquelle mit Energie versorgt. Der

Aufbau des Meßkreises 1^2 ist im wesentlichen gleich dem des

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HADORiGJNAl.

Meßkreises 32. Er unterscheidet sich von diesem hauptsächlich durch die Verwendung eines Schleifdrahtwiderstandes 154 anstatt des festen Widerstandes 40 auf der positiven Brückenseite und durch die Verwendung eines Schleifdrahtwiderstandes 156 anstatt des festen Widerstandes 54. Der Schleifer des Schleifdrahtwiderstandes 154 liegt an der Klemme 56. Durch die Betätigung dieses Schleifers läßt sich die Größe der Störunterdrückung im weiten Bereich ändern. Der Schleifer des Schleifdrahtwiderstandes 156 liegt am Meßbereichwiderstand lj50. Durch die Betätigung des Schleifers entlang des Widerstandes I56 läßt sich der Meßbereich weitgehend ändern.

In Figur 5 ist ein weiterer abgeänderter Meßkreis 158 gezeigt, der ein Widerstandsthermometer I60 als Meßfühler aufweist. Der Meßkreis ist wiederum in Form einer Widerstandsbrücke aufgebaut, wobei der Meßfühler in einem der Widerstandszweige liegt. Das · als Meßfühler ausgebildete Widerstandsthermometer 160 liegt zusammen mit dem Schleifdrahtwiderstand 1-62- auf der positiven Brückenseite. Der .Schleifer des Widerstandes 1β2 ist mit der Klemme 56 verbunden. Auf der negativen Brückenseite befinden sich ein fester Widerstand 164 und ein Schleifdrahtwiderstand 166, wobei der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände andie Klemme 46 angeschlossen is"t. Der zürn Schleif drahtwiderstand I66 gehörende Schleifer ist-mit dem Meßbereichwiderstand I6S verbunden, der dem'in Figur 2 und 4 gezeigten Meßberelch-

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widerstand Γ5Ο entspricht.

Ähnlich dem in Figur 4 gezeigten Meßkreis kann durch die Betätigung der jeweils zu den Widerständen Io2 und 166 gehörenden Schleifer die Störunterdrückung und der Meßbereich weitgehend verändert werden.

Der in Figur 6 gezeigte^Meßkreis 170 ist wiederum in Form einer Widerstandsbrücke aufgebaut, die zumindest in einem Zweig möglicherweise aber auch in ihren vier Zweigen mit einem Dehnungsmeßstreifen versehen ist, so daß der Meßgeber als Druckmesser arbeitet. In der dargestellten Ausführungsform werden die vier Zweige der Brücke durch die Widerstände 172, 174, 176 und 178 gebildet. Der. Verbindungspunkt Öer beiden Widerstände 172 und 174 liegt an der Klemme 56, während der Verbindungspunkt der Widerstände 176 und .178 zu der Klemme 46 geführt ist. In diesem Meßkreis können entweder einer oder zwei oder für bestimmte Meßzwecke auch alle vier Widerstände durch Dehnungsmeßstreifen ersetzt sein. Der Rückkopplungswiderstand 180, durch dessen Betätigung sich wiederum der Meßbereich verändern läßt, kann bei der Verwendung von vier Widerstandsmeßstreifen direkt mit der Klemme 46 verbunden sein.

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Claims (1)

CA-3519 Ge ·■■■■■- Patentansprüche

1. Über eine zweiadrige Leitung an ein auf Stromänderungen ansprechendes Auswertegerät anschließbarer und von dort mit Strom versorgter Meßgeber, dadurch gekenn- ä ζ ei c h η e t, daß er zwei an die Leitung (6,8) angeschlossene, parallele Stromzweige enthält, von denen der eine einen konstanten Versorgungsstrom aufnimmt und einen Steuersignalgenerätor zur Umwandlung der Meßgröße in eine änderung des Stromes im anderen Stromz'.-/eig aufweist.

2. Meßgeber nach Anspruch 1, dadurch- ge k-enn-

z e i c h η et, daß der Steuer-Signalgenerator mit seinem Eingang an den Meßfühler (2) und mit seinem Ausgang an eine in den anderen Strorazweig eingeschaltete steuerbare ™ Widerstandsanordnung (116,118,122,12¹O angeschlossen ist.

j5. Meßgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersignalgenerator einen Meßkreis (32) aufweist, an dessen Eingang ein eine niedrige Gleichspannung abgebender Meßfühler (2) angeschlossen ist und daß der Meßkreis durch den konstanten Stromkreis gespeist ist. ·

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4. Meßgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne t, daß der Meßkreis (32) eine Widerstandsbrücke (24-56) umfaßt, in deren erstem Zweig der mit seinem einen Ende an ein Bezugspotential (24) angeschlossene Fühler (2) liegt und in deren an den ersten angrenzenden zweiten Zweig eine Temperaturkompensationsvorrichtung (42-54) eingefügt ist, die mit der Bezugsspannung in Verbindung steht.. .

5· Meßgeber nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch igegekennzeichnet, daß der Steuersignalgenerator einer die niedrige Fühlerspannung verstärkenden, mehrstufigen Verstärker (68-80) enthält, der aus dem Konstant-Stromkreis gespeist wird.

6. Meßgeber nach Anspruch 5» dadurch gekennzei chn et , daß die vorderen Stufen (68,72) des mehrstufigen Verstärkers (68-80) von den hinteren Stufen (76,80) durch eine dynamisch arbeitende Trennstufe (102) getrennt sind.

7·. Meßgeber nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g ek e η nz e i c h η e t, daß der Konstant-Stromkreis ein erstes und ein zweites Konstant-Stromelement .(I6,l8; 94,96) aufweist, daß die beiden Konstant-Stromelemente parallelgeschaltet sind, daß dem ersten Konstant-Stromelement (16,l8) ein erstes Konstant-Spannungselement (26,28) und dem zweiten Konstant-Sfc'romelement (94-96) ein zweites Konstant-Spannungselement

(100,78) nachgeschaltet ist, und.daß der Meßkreis (32) ^. 10 9 8 4-47 0 A 99 , ■ -

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von dem ersten Konstant-Spannungselement und der mehrstufige Verstärker (68-80) vom zweiten Konstant-Spannungselement mit Energie versorgt ist. .

8. Meßgeber nach Anspruch 6 und -7» da 'durch gekennzeichnet, daß die dynamisch arbeitende Trennstufe einen Transistor (102) enthält, dessen Emitter und dessen Kollektor an die hinteren Stufen (76,80) des mehrstufigen Verstärkers (68-80) bzw, an das zweite Konstant-Spannungselement (9^,96) angeschlossen ist und dessen Basis von dem ersten Konstant-Spannungselement (100,78) seine Vorspannung erhält.

9. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch

g e k e η η ζ e i e h η e t, daß die Konstant-Stromelemente (l6,l8;94,96) jeweils einen Feldeffekttransistor (l6 bzw. 9^) aufweisen, dessen Hauptelektroden mit einem Widerstand (18 bzw. 96) in Reihe geschaltet sind und dessen Gatterelektrode mit dem nicht an die Hauptelektroden angeschlossenen Ende des Widerstandes verbunden ist. " ·

10. Meßge^ber nach Anspruch 9, d a d u r c h gekennzeichnet, daß in dem ersten Konstant-Stromelement (l6,l8) die Gatterelektrode über eine Temperaturkompensationsdiode (20) mit dem nicht an die Hauptelektroden des Transistors (16)- angeschlossenen Ende des Widerstandes (18) verbunden ist.

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11. Meßgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator einen Modulator (58) aufweist, der das schwache Spannungssignal des Meßkreises (32) moduliert, bevor es dem mehrstufigen Verstärker (68-80). zugeführt wird,

daß der Signalgenerator mit einem synchron arbeitenden, an den Verstärkerausgang angeschlossenen Demodulator (106, 108,ll4) versehen ist, welcher die Verstärkerausgangssignale demoduliert und hieraus ein Steuersignal ableitet, daß das Steuersignal über eine Koppelschaltung (115) auf die steuerbare Widerstandsanordnung (116,118,122,124) gegeben wird,

daß die steuerbare Widerstandsanordnung als steuerbaren Widerstand eine Darlington-Schaltung (Il6,ll8) aufweist, und daß der Meßgeber eine den Modulator und den Demodultor steuernde Steuerschaltung (60) einschließt, welche an das zweite Konstant-Spannungselement (100,78) angeschlossen ist. ·

12. Meßgeber nach'einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß·der Meßfühler (2) von einem Schutzrohr (132) umgeben und der Meßgeber in ein auf den Kopf (I36) des Schutzrohres aufgesetztes Gehäuse (142) eingebaut ist.

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Meßgeber nach Anspruch 12 mit einen Thermoelement als Meßfühler, d a d u r c h gekennzeichnet, daß zwischen dem Kopf (136) des Schutzrohres (132) und dem Gehäuse (l42) eine'Kühlvorrichtung (146) angeordnet ist. . ·

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