DE1791050B2

DE1791050B2 - Messumformer

Info

Publication number: DE1791050B2
Application number: DE19681791050
Authority: DE
Inventors: Edward T.E. Willingboro NJ. Hurd (V-StA.)
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-09-08
Filing date: 1968-09-04
Publication date: 1977-03-10
Also published as: DE1791050C3; NL6812849A; DE1791050A1; GB1195617A; SE369978B; US3562729A; FR1581832A

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Gegenüber einem aus der US-PS 30 51933 bekannten Meßumformer Jiesfir Art zielt die Erfindung auf eine Verbesserung der Stabilität und Genauigkeit des Meßumformers. Insbesondere soll erreicht werden, daß Stromänderungen auf der zweiadrigen Verbindungsleitung allein durch Änderungen der Meßgröße hervorgerufen werden und nicht etwa durch die Arbeitsweise des Meßumformers beeinflussende Temperaturänderungen oder Alterungserscheinungen der Bauteile verursacht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Der neue Meßumformer zeichnet sich durch eine äußerst stabile Betriebsweise sowie durch geringe Eigenstromaufnahme und kompakte Bauweise aus, so daß er vielfach ohne zusätzliches Gehäuse unmittelbar an dem ihn steuerbaren Meßfühler, beispielsweise im Schutzrohr eines Thermoelementenfühlers untergebracht werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf in den Zeichnungen wiedergegebene Ausführungsbeispiele Bezug genommen. Dabei zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines Meßumformers, der mit einem in mehr oder weniger großer Entfernung angeordneten Auswertegerät über eine zweiadrige Verbindungsleitung verbunden ist und als Meßfühler ein Thermoelement aufweist,

F i g. 2 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßumformers, wobei der Steuersignalgenerator zwei Schaltungsteile aufweist, weiche getrennt jeweils über eine Konstantstromquelle an die eine Ader der zweiadrigen Verbindungsleitung angeschlossen sind,

F i g. 3 die Ansicht eines ein Thermoelement aufnehmenden Schutzrohres, an dem der Meßumformer gemäß F i g. 2 befestigt ist,

F i g. 4 eine abgewandelte Ausführungsform des Meßkreises des Signalgenerators, bei dem anstelle einiger fest vorgegebener Bauteile in ihren Werten veränderbare Bauteile eingesetzt sind,

F i g. 5 eine andere Ausführungsform des Meßkreises im Meßumformer gemäß F i g. 2, wobei als Fühler ein Widerstandsthermometer dient, und

Äusfi

Fig, 6 eine weitere Ausführungsform des Meßireises unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen.

Bei dem ia F i g. 1 schematisch dargestellten Blockschaltbild einer Meßanordnung mit Zweidraht-Meßumfouner ist an den Eingang des Meßumformers 4 ejn Thermoelement 2 angeschlossen. Die Ausgänge des Meßumformers sind über die Leitungen 6 und 8 mit einer entfernt liegenden Geräteeinheit 10 verbunden, wobei afc Leitungen teilweise gestrichelt dargestellt sind, um anzuzeigen, daß die Entfernung zwisehen Geräteeinheit 10 und Meßumformer 4 groß sein 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 Fig. 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 Meßumformers 4 mit einer steuerbaren Widerstandsanordnung versehen, durch die der von der Energiequelle 14 ausgehende und über die Leitungen 6, 8 und den Meßumformer 4 in as 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 Meßumformers 4 verstärkt. Die Energiequelle 14 stellt nicht nur den vom Ausgang des Meßumformers 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 Meßumformer 4 mit der entfernt liegenden Geräteeinheit 10 verbindenden Leitungen 6 und 8 sowohl das zur Steuerung des Auswertegerätes 12 notwendige Signal als auch der Versorgungsstrom für den Meßumformer 4 übertragen.

In F i g. 2 ist eine bevorzugte Schaltung des Meßumformers 4 dargestellt. Die Leitung 6 ist mit der Senkenelektrode eines ersten Feldeffekttransistors 16 verbunden, dessen Quellelektrode über einen veränderbaren Widerstand 18 und eine Temperaturkompensationsdiode 20 an einen Verbindungspunkt 22 angeschlossen ist. Die Gatterelektrod* des Transistors 16 steht über den Verbindungspunkt 22 und die Diode 20 mit dem 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 Widerstand 28 ein Konstant-Spannungselement bildet. Der zur Eichung des Konstant-Spannungselementes dienende Widerstand 28 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 22 und der Klemme 30. An die Klemme 30 und die mit der Bezugsspannungsleitung 24 verbundene Klemme 34 ist ein Meßkreis 32 angeschlossen. Der Meßkreis 32 ist eine Widerstandsbrücke. In seiner in F i g. 2 dargestellten Form ist er speziell für die Verwendung eines Thermoelementes als Meßfühler zugeschnitten und enthält daher eine sehr gut kompensierte Vere. die oft auch als kalte Verbindung bezeichnet wird. Die Widerstandsbrücke enthält einen an die Klemme 30 angeschlossenen Widerstand 36, der den ersten Brückenzweig bildet. An die Klemme 30 is* weiterbin der zweite Brückenzweig angeschlossen, der aus dem Widerstand 38 besteht Der zwischen dem Widerstand 36 und der Klemme 34 liegende dritte Brückenzweig enthält einen Widerstand 40 und das Thermoelement 2. Um die Kompensation des Thermoelementes zu verbessern, ist der zwischen dem Widerstand 38 und der Klemme 34 befindliche vierte Brückenzweig ein aus mehreren Widerständen zusammengesetztes Netzwerk. Dieses Widerstandsnetzwerk weist einen ersten, direkt zwischen dem Widerstand 38 und der Klemme 34 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 temperaturabhängigen Widerstand 52 und einem Widerstand 54. Der Verbindungspunkt 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 58 verbunden. Das Gehäuse des Transistors 58 ist an die Bezugsspannungsleitung 24 angeschlossen. Das Gatter des Transistors 58 ist über einen Widerstand 62 zur Ausgangsklemme eines Multivibrators 60 geführt. Der Multivibrator 60 weist, wie üblich, 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 24 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 Energieversorgungsschaltung liegt. Der Kollektor des Transistors 72 ist außerdem zu der Basis des die dritte Stufe bildenden 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

⁵ ) ⁶

über einen Lastwiderstand 78 mit einer Energiever- stufe 102 so stark herabgesetzt, daß sie kaum Einfluß

sorgungsleitung 98 verbunden ist. Der Emitter des auf die vorderen Transistorstufen haben.

Transistors 80 ist über einen Emitterfolgewiderstand Das Ausgangssignal des Verstärkers gelangt über

82 an die Bezugsspannungsleitung 24 angeschlossen, den mit dem Kollektor des Transistors 80 verbun-

während sein Kollektor über den Lastwiderstand 84 s denen Koppelkondensator 104 zu einer Demodula-

zu der Energieversorgungsleitung 98 geführt ist. torschaltung. Der Demodulator ist mit den beiden

Die vierte Stufe des Wechselstromverstärkers ist Feldeffekttransistoren 106 und 108 versehen, wobei mittels der Leitung 86 auf die erste Stufe rückgekop- die Hauptelektroden des Feldeffekttransistors 106 pelt, wobei durch diese Leitung der Emitter des mit dem Koppelkondensator 104 bzw. einem AusTransistors 80 an ein zur Erzeugung einer Vorspan- io gangskreis und die Hauptelektroden des Feldeffektnung dienendes und mit dem Transistor 68 in Ver- transistors 108 mit dem Koppelkondensator 104 bzw. bindung stehendes Netzwerk angeschlossen ist. Zu der Bezugsspannungsleitung 24 verbunden sind. Das diesem Netzwerk gehören die beiden in Serie ge- Gatter des Transistors 106 ist über einen Widerstand schalteten Widerstände 88 und 90, wobei diese Se- 110 an eine Ausgangsklemme des Multivibrators 60 rienschaltung zwischen der Basis des Transistors 68 15 geführt, an die auch das Gatter des Transistors 58 und der Bezugsspannungsleitung 24 liegt. Parallel rngeschlossen ist. Das Gatter des Transistors 108 ist zum Widerstand 90 liegt der Bypaß-Kondensator 92. über einen Widerstand 112 mit der gegenüberliegen-Die Rückkopplungsleitung 86 ist über einen Wider- den Ausgangsklemme des Multivibrators 60 verbunstand 87 an den Verbindungspunkt der beiden Wi- den. Auf diese Weise werden die beiden Feldeffektderstände 88 und 90 geführt. 20 transistoren 106 und 108 abwechselnd durch das

Die bereits erwähnte Energieversorgungsschaltung Ausgangssignal des Multivibrators 60 geöffnet und für den vierstufigen Verstärker weist ein zweites Kon- geschlossen. Die Steuerung der Transistoren 106 und stant-Stromelement auf, welches dem bereits be- 158 ist synchron und gleichphasig,
schriebenen und den Feldeffekttransistor 16 aufwei- Der mit dem Transistor 106 verbundene Aussenden im wesentlichen gleich ist. 25 gangskreis weist einen zwischen der Ausgangselek-

Das zweite Konstant-Stromelement ist mit einem trode des Transistors 106 und der Bezugsspannungs-Feldeffekttransistor 94 versehen, dessen Senkenelek- leitung 24 liegenden Glättungskondensator 114 auf. trode an die Leitung 6 angeschlossen ist. Die Quell- Die Ausgangselektrode des Transistors 106 ist über elektrode des Transistors 94 ist über einen einstell- zwei in Serie geschaltete Koppeldioden 115 mit der baren Widerstand 96 mit der Energieversorgungs- 30 Basis des Transistors 116 verbunden. Der Transistor leitung 98 verbunden. Die zu einem zweiten Kon- 116 bildet die erste Stufe einer Darlington-Schaltung. stant-Spannungselement gehörende Zenerdiode 100 deren zweite Stufe durch den Transistor 118 dargeliegt zwischen der Leitung 98 und der Bezugsspan- stellt ist. Der Transistor 116 erhält von der Energienungsleitung 24, so daß die Spannung zwischen die- versorgungsleitung 98 über einen Widerstand 120 sen beiden Leitungen konstant ist. Zur Trennung 35 seine Basisspannung. Der Kollektor des Transistors zwischen den vorderen und hinteren Verstärker- 116 ist zum Kollektor des Transistors 118 geführt, stufen, die bei Verstärkern mit hohem Verstärkungs- und beide Kollektoren liegen an der Leitung 6. Der grad notwendig ist, um schädliche Beeinflussung der Emitter des Transistors 116 ist an die Basis des Tran-Stufen untereinander sowie unerwünschte Schwin- sistorsll8 angeschlossen, während der Emitter des gungen zu verhindern, ist eine dynamisch arbeitende 40 Transistors 118 über einen niederohmigen Wider-Trennstufe 102 vorgesehen, die durch einen Tran- stand 122 mit der Bezugsspannungsleitung 24 versistor gebildet ist, dessen Kollektor an der Energie- bunden ist. Über einen niederohmigen Präzisionsversorgungsleitung 98 liegt und dessen Basis zum widerstand 124 ist die Bezugsspannungsleitung 24 im Verbindungspunkt des veränderbaren Widerstandes Verbindungspunkt 126 an die andere Leitung 8 an-18 mit der Temperaturkompensationsdiode 20 ge- 45 geschlossen. Von diesem Verbindungspunkt 126 geht führt ist. Der Emitter des Transistors 102 ist mit den eine Leitung 128 aus, die zu einem Widerstand 130 beiden Lastwiderständen 70 und 74 verbunden, die läuft, der mit seinem anderen Ende am Verbindungsmit ihren anderen Enden am Transistor 68 bzw. 72 punkt der beiden Widerstände 50 und 52 des Meßliegen. Auf diese Weise ist der Kollektor des Tran- kreises 32 liegt. Durch diese Verbindung wird eine sistors 102 mit einem Punkt mit durch die Zener- 50 gleichstrommäßige Rückkopplung für den Meßdiode 100 konstant gehaltener Spannung verbunden, umformer 4 erzielt.

während seine Basis an einen Punkt mit durch die Während des Betriebes wird die elektrische Ener-

Zenerdiode26 konstant gehaltener Spannung ange- gie auf den Leitungen 6 und 8 in mindestens zwei

schlossen ist. Die von der Zenerdiode 100 erzwun- parallele Stromzweige aufgeteilt. In dem hier darge-

gene Spannung muß etwas größer sein als die von 55 stellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßer

der Zenerdiode 26 erzwungene. So war in einem be- Meßgebers wird der eine der beiden Stromzweige

stimmten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä- wie weiter unten näher beschrieben, nochmals ir

Ben Schaltung die Spannung der Zenerdiode 100 zwei parallele Strompfade geteilt, wobei der ein«

etwa 8 V während die an der Zenerdiode 26 ungefähr durch den Meßkreis und der andere durch den Ver

6.4 V betrug. Am Emitter des Transistors 102 er- 60 stärker geht. Der andere der beiden Stromzweige is'

scheint die Basisspannung abzüglich des Basis- mit einer der Steuerung des durch ihn fließender

emitterspannungsabfalles. wodurch die beiden Last- Stromes dienenden, steuerbaren Widerstandsanord

widerstände 70 und 74 an einer konstanten Spannung nung versehen. Die beiden, den einen Stromzweij

Hegen. Der Kollektor dieses Transistors, der seine bildenden Strompfade weisen jeweils ein Konstant

Energie von der Energieversorgungsleitung 98 be- 65 Stromelement auf, welches dafür sorgt, daß de

zieht, ist für diese Leitung ein Konstant-Stromver- Strom durch den einen Stromzweig konstant ist. Di« braucher. Auf diese Weise werden Störungen auf der Stromversorgung der aktiven Elemente des Meß

Leitung 98 durch die dynamisch arbeitende Trenn- gebers erfolgt über diese Konstant-Stromdementi

Iß

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 vorgesehenen Strombereiches liegt. Wie bereits erwähnt, wurde bei einer praktischen Ausführungsform des Meßsystems 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 Meßsignals gesteuert wird und der der einzig veränderbare Strompfad in dem Meßgeber ist, bedingt die Stromänderung zwischen 4 und 20 mA in den Leitungen 6 und 8. Auf diese Weise wird der Meßgeber von einer entfernt liegenden, in F i g. 1 symbolisch durch eine Batterie angedeuteten Energiequelle 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 läßt 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 Gatterelektrode 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 16 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 Spannung zwischen den beiden Klemmen 30 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 V 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 Widerstandszweige 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 hei den verschiedensten Anwendungsfallen mögliche Störungen im Meßkreis unterdrückt werden. Die Widerstandswerte ergeben sich dabei aus der Brückentheorie. Die Abhängigkeit des Thermosiromcs 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 Ausfiihrungsbeispiel wird diese quadratische Abhängigkeit durch den temperaturabhängigen Widerstand 42, den festen Widerstand 44, temperaturabhängigen Widerstand 48 und den festen Widerstand 50 erreicht. Die Widerstandswerte der Widerstände 52 und 54 sind sehr viel kleiner als die

ίο der Widerstände 48 und 50, so daß ihr Einfluß auf die Kompensation der Vergleichsstelle vernachlässigbar ist.

Mittels des Widerstandes 130 wird der Meßbereich des Meßkreises festgelegt. Da sich aber auch der Meßbereich mit der Temperatur ändern Kann, sorgt der temperaturabhängige 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 dei hier gezeigten Anordnung ist die Impedanz zwischen dem Meßpunkt des Thermoelementes 2 und der Bezugsspannungsleitung 24 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 bekannter 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. Ir dem hier beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der einzige, nicht zu vernachlässigende Widerstand in dem an den Bezugsspannungsdraht des Thermoelementes angeschlossener Kreis der Rückkopplungswiderstand 124. Dieser Widerstand ist derart geschaltet, daß die an ihm erzeugten Störsignale mit einem Faktor abgeschwächt werden, der gleich dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist. Daher wird bei einer Verstärkung des Ver

So stärkers von 1000 die Wirkung der Störsignale au;

gedämpft. Um selbst diese Wirkung noch mög

liehst gering zu halten, wird das Thermoelement ii seinem Schutzrohr derart befestigt, daß es sowoh

SS vom Rohr als auch von irgendeinem anderen kurz schließenden Kontakt elektrisch getrennt ist. Die be anderen Meßgeräten notwendige Trennung zwischei Eingangs- und Ausgangskreis zur Verhinderung voi durch die Erdung des Thermoelementes bedingte!

Störspannungen ist bei dem erfindungsgemäßen Meß geber weitgehend überflüssig.

Die Ausgangsklemme 56 des Meßkreises 32 ist ai die positive Brückenseite angeschlossen. Die an diese Klemme gegenüber der Bezugsspannungsleitung 2a

liegende Spannung setzt sich zusammen aus der Aus gangsspannung des Thermoelementes und einem po sitiven Unterdrückungssignal. Die Ausgangskiemmi 46 des Meßkreises 32 liegt auf der negativei

709 510/31

ίο

Brückenseite, und die Spannung an dieser Klemme der Zenerdiode 100 am Kollektor und die konstante gegenüber der Bezugsspannungsleitung 24 entspricht Spannung über der Zenerdiode 26 an der Basis des der Summe aus der Kompensationsspannung der Transistors 102 liegt, ist die Kollektorspannung und Vergleichsstelle und einem negativen Unterdrük- der Kollektorstrom an diesem Transistor praktisch kungssignal. Die Klemmen 46 und 56, an denen je- 5 konstant. Auf diese Weise verhindert man, ohne die weils eine von der Spannung des Thermoelementes Verwendung eines fiC-Nelzwerkes, daß durch die abhängige Brückenteilspannung liegt, sind mit den beiden hinteren Stufen des Verstärkers verursachte Hauptelektroden des Feldeffekttransistors mit iso- Spannungsschwankungen auf die beiden vorderen liertem Gatter 58 verbunden. Durch das bereits be- Stufen gelangen, wodurch der Verstärker instabil schriebene, wechselweise Schalten des Transistors 58 io würde.

entsteht ein Ausgangssignal, dessen Amplitude zwi- Das Ausgangssignal des Verstärkers wird über

sehen dem Spannungswert an der Klemme 46 und einen Koppelkondensator 104 auf einen synchron dem Spannungswert an der Klemme 56 gegenüber arbeitenden Demodulator gegeben, der die beiden der Bezugsspannungsleitung 24 wechselt. Das Aus- Feldeffekttransistoren 106 und 108 aufweist. Wie begangssignal setzt sich dementsprechend aus einer 15 reits erwähnt, werden die beiden Transistoren durch Gleichspannung und einer Rechteckspannung zusam- die vom Multivibrator 60 erzeugten Impulse synmen, deren Amplitude der Spannungsdifferenz zwi- chi on mit dem Transistor 58 abwechselnd durchgesehen den Klemmen 56 und 46 proportional ist. Die schaltet, wobei die Schaltimpulse des Transistors 106 Gleichspannung wird vom Koppelkondensator 66 ab- und des Transistors 58 gleichphasig sind. Durch die geblockt, über den nur die Rechteckspannung auf 20 Demodulation wi.d am Kondensator 114 eine Spanden Eingang des vierstufigen Transistorverstärkers nung erzeugt, die d..r Differenzspannung zwischen gelangt. den beiden Klemmen 46 und 56 proportional ist.

Der Transistorverstärker ist bezüglich der Signal- Diese als Steuersignal für den Ausgangskreis die-

verstärkung ein vierstufiger, direktgekoppelter Ge- nende Spannung wird über die beiden Koppeldioden radeausverstärker. Die der Stabilität des Verstärkers 25 115 auf den Eingang der Darlingtonschaltung gedienende Gleichstromrückkopplung geht von der geben, die die beiden Transistoren 116 und 118 auf-Emitterfolgeschaltung des die letzte Stufe des Ver- weist. Das Steuersignal wirkt auf die Basis des Transtärkers bildenden Transistors 80 aus, wobei die sistorsllö ein und verändert dessen Leitfähigkeit Energie mittels der Leitung 86 über den Widerstand und damit den Strom, der durch den Transistor 118 87 an den Eingang des die erste Stufe des Verstärkers 30 fließt, wodurch wiederum der Strom in den beiden bildenden Transistors 68 zurückgekoppelt wird. Ein Leitungen 6 und 8 gesteuert wird. Es muß festgehalbezeichnendes Merkmal des erfindungsgemäßen Meß- ten werden, daß der durch den Widerstand 124 fliegebers ist die Art und Weise, in der der Verstärker ßende Gesamtstrom sich zusammensetzt aus dem mit Energie versorgt wird. Bei Verstärkern mit großer Strom, der durch den Transistor 118 fließt, und dem Verstärkung muß die Stromversorgung der hinteren 35 konstanten Versorgungsstrom für den erfindungs-Verstärkerstufen von der der vorderen Verstärker- gemäßen Meßgeber. Alle Änderungen des konsr.nten stufen getrennt werden, da sonst der Verstärker in- Versorgungsstromes infolge von Temperaturschwanstabil wird. In dem hier beschriebenen, erfindungs- kungen werden automatisch kompensiert, gemäßen Ausführungsbeispiel wird der Verstärker Durch die geringen Abmessungen, mit denen sich

über ein Konstant-Stromelement gespeist, welches 40 der erfindungsgemäße Meßumformer mit Hilfe der durch den Feldeffekttransistor 94 und den veränder- integrierten oder halbinte°rierten Schaltungstechnik baren Widerstand 96 gebildet ist und welches zwi- (sogenannte Hybridschaltung) darstellen läßt, kann sehen der Leitung 6 und der Energieversorgungslei- der Meßkreis und der restliche Teil des erfindungstung 98 liegt. Zwischen der Energieversorgungsleitung gemäßen Meßumformers in nächster Nähe zum Meß-98 und der Bezugsspannungsleitung 24 ist ein Kon- 45 fühler 2 angebracht werden.

stant-Spannungselement eingefügt, das mit einer Eine mögliche Form der Befestigung ist in F i g. 3

selbstregelnden, temperaturkompensierten Zener- gezeigt. Das Thermoelement 2 sitzt wie üblich in diode 100 versehen ist. Der Aufbau des Konstant- einem Schutzrohr 132 dessen Inneres mit einem ge-Stromelementes, welches mit dem Konstant-Span- eigneten elektrischen Isoliermaterial, beispielsweise nungselement in Reihe zwischen der Leitung 6 und 50 gepreßtem Magnesiumoxvd ausgefüllt ist. Das Iso der Bezugsspannungsleitung 24 hegt, ist abgesehen lationsmaterial umgibt das 'Thermoelement und iso von der Temperaturkompensationsdiode 20 gleich H_{ert sowohl die bejden} Thermodrähte voneinandei dem des Konstant-Stromelementes und des mit ihm afc _{auch das} Thermoelement gegenüber dem Schutz in Reihe geschalteten Konstant-Spannungselementes, rohr 132. Auf dem Schutzrohr sitzt wie üblich eii durch welche der Meßkreis 32 mit Strom versorgt 55 Kopf 136. in dem normalerweise nur ein Anschluß wird. Es wurde bereits erwähnt, daß die Spannung teil untergebracht ist, an das die Anschlüsse de an der Zenerdiode 100 etwas größer sein soll als an Thermoelementes und die entsprechenden Zuleitun der Zenerdiode 26. i»uf diese Weise erhält man eine gen geführt sind. Der Kopf wird üblicherweise durd gleichbleibende Spannungsdifferenz zwischen der eine Kappe abgeschlossen. In dem in Fig. 3 gezeig Energieversorgungsleitung 98 und der Bezugsspan- 60 ten Aufbau ist aber zwischen der Kappe 138 und den nungsleitung 24, die zur Energieversorgung der bei- Kopf 136 ein Zwischenstück 14« eingefügt. Das ein den Stufen 76 und 80 des vierstufigen Transistor^- Ende des Zwischenstückes weist ein Innengewind stärkers sowie des Multivibrators 60 notwendig ist. auf, mit dem das Zwischenstück auf den Kopf 13

Der Transistor 102 bildet eine dynamisch arbei- aufgeschraubt ist. Das andere Ende des Zwischen tende Trennstufe im Energieversorgungskreis zwi- 6_S Stückes bildet das Gehäuse 142, das den Meßgebe sehen der Energieversorgungsleitung 98 und den die aufnimmt. Das Gehäuse 142 ist an seinem obere beiden ersten Stufen des Verstärkers bildenden Tran- Rand mit einen Innengewinde versehen, auf das di sistoren 68 und 72. Da die konstante Spannung über Kappe 138 geschraubt ist Zwischen den beiden En

den 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 festgeschraubt, durch welches die Leitungen 6 und 8 vor der zu messenden Umgebung des Thermoelementes geschützt werden.

Das Zwischenstück 140 ist nicht zwingend notwendig, da sich der Meßumformer 4 auch in den Kopf 136 einbauen läßt. Der Vorteil des Zwischenstückes 142 liegt im wesentlichen darin, daß die Temperatur im Gehäuse 140 erheblich niedriger als im Kopf 136 ist. Unabhängig davon, wo nun der Meßgeber eingebaut wird, ist auf jeden Fall die lange und relativ teure, kompensierte Leitung zwischen dem Thermoelement und dem das Signal des Thermoelementes aufnehmenden Wandler überflüssig. Es wurde bereits erwähnt, daß der Meßumformer nicht notwendigerweise ein Thermoelement als Meßfühler aufweisen muß. Man kann vielmehr den Meßkreis als eine Baueinheit 32 und den Rest des Gerätes als eine Baueinheit 150 betrachten. Die beiden Baueinheiten werden beispielsweise mit mehreren Schrauben 152 miteinander verbunden, die gleichzeitig auch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Baueinheiten bilden können.

In F i g. 1 wurden die Bauteile der Baueinheit 32 als nicht veränderbar dargestellt, so daß der Meßumformer 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 F i g. 2 gezeigten Meßkreis 32 aus.

In F i g. 4 ist die Schaltung eines solchen einstellbaren Meßkreises abgebildet. Bauteile, die den in F i g. 2 gezeigten entsprechen, erhalten die gleichen Bezugsziffern. Der in Fig. 4 gezeigte Meßkreis 152 wird über die Klemmen 30 und 34 von einer Konstant-Spannungsquelle mit Energie versorgt. Der Aufbau des Meßkreises 152 ist im wesentlichen gleich dem des Meßkreises 32. Er unterscheidet sich von diesem hauptsächlich durch die Verwendung eines Schleifdrahtwiderstandes 154 anstatt des festen Widerstandes 40 auf der positiven Brückenserte 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 130. Durch die Betätigung des Schleifers entlang des Widerstandes 156 läßt sich der Meßbereich weitgehend ändern.

ίο In F i g. 5 ist ein weiterer abgeänderter Meßkieis 158 gezeigt, der ein Widerstandsthermometer 160 als Meßfühler aufweist. Der Meßkreis ist wiederum in Form einer Widerstandsbrücke aufgebaut, wobei der Meßfühler in einem der Widerstandszweige liegt. I >as als Meßfühler ausgebildete Widerstandsthermometer 160 liegt zusammen mit dem Schleif drahtwiderstand 162 auf der positiven Brückenseite. Der Schleifer des Widerstandes 162 ist mit der Klemme 56 verbunden. Auf der negativen Brückenseite befinden sich ein fester Widerstand 164 und ein Schleif drahtwiderst md 166, wobei der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände an die Klemme 46 angeschlossen ist. Der zum Schleifdrahtwiderstand 166 gehörende Schleifer ist mit dem Meßbereichwiderstand 168 verbunden, der dem in F i g. 2 und 4 gezeigten Meßbereicawüierstand 130 entspricht.

Ähnlich dem in F i g. 4 gezeigten Meßkreis V ann durch die Betätigung der jeweils zu den Widerständen 162 und 166 gehörenden Schleifer die Störui terdrückung und der Meßbereich weitgehend verändert werden.

Der in Fi g. 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 Meßumformer als Druckmesser arbeitet. In der dargestellten Ausführungsform werden die vier Zweige der Brücke durch die Widerstände 172, 174, 176 und 178 gebildet. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 172 und 174 liegt an der Klemme 56, während der Verbindungspunkt der Widerstände 176 und 178 zv der Klemme 46 geführt ist. In diesem Meßkreis kennen 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

so der Klemme 46 verbunden sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßumformer mit einer als steuerbarer Widerstand geschalteten Transistorschaltung zur meßwertabhängigen Steuerung des Stromes in einer zweiadrigen Verbrndungsleitung, der an ein auf Stromändeningen ansprechendes Auswertegerät und eine mit diesem inlleihe geschaltete Gleichstromquelle anschließbar ist und einen die Eingangsmeßgröße in ein Steuersignal für die Transistorschaltung umwandelnden Steuersignalgenerator aufweist, der mit einer aus dem Strom über die Verbindungsleitung abgeleiteten stabilisierten Viersorgungsspannung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitung von der einen Ader (6) der Verbindungsleitung (6, S) zum Steuersignalgenera'tor bzw. zu dessen mit Strom zu versorgenden Schaltungsteilen (32; 60, 68—80, 106, 108) als Konstantstromquelle jeweils die Reihenschaltung eines Widerstandes (18; 96) mit der Hauptelektrodenstrecke eines Feldeffekttransistors (16; 94) eingeschaltet und eine Steuerelektrode an einen Verbindungspunkt (22; 98) zwischen Widerstand (18; 96) und Steuersignalgenerator angeschlossen ist.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersignalgenerator einen Meßkreis (32) und einen nachgeschalteten •mehrstufigen Verstärker (68—80) aufweist und daß der Meßkreis über eine erste Konstantstromquelle (16, 18) und der Verstärker über eine zweite Konstantstromquelle (94, 96) an die eine Ader (6) der Verbindungsleitung (6, 8) angeschlossen ist.

3. Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedei der beiden Konstantstromquellen (16, 18; 94, 96) je ein Konstantspannungselement (26; 100) in Reihe geschaltet und der Meßkreis (32) an das erste Konstantspannungselement (26) und der Verstärker (6*—80) an das zweite Konstantspannungselement (100) angeschlossen ist.

4. Meßumformer nach Anspruch 2 oder 3 bei dem die vorderen Stufen des Verstärkers von den nachfolgenden Stufen durch eine dynamische Trennstufe getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen Stufen (68, 72) über die Kollektor-Emitter-Strecke eines als dynamische Trennstufe dienenden Transistors (102) und die nachfolgenden Stufen (76, 80) unmittelbar an den Verbindungspunkl (98) des zweiten Konstantspannungselements (100) mit der zugehörigen zweiten Konstantstromquelle (94, 96) angeschlossen sind.

5. Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (100) der dynamischen Trennstufe an einen Schaltungspunkt zwischen der ersten Konstantstromquelle (16,18) und dem ersten Konstantspannungselement (26) angeschlossen ist.

6. Meßumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuersignalgenerator ein zwischen Meßkreis (32) und Verstärker (68—80) eingeschalteter Modulator sowie ein zwischen Verstärker und Transistorschaltung (116, 118) eingeschalteter Demodulator (106, 108) ebenfalls an das zweite Konstantspannungselement (100) angeschlossen sind.

7. Meßumformer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Konstantstromquelle (16, 18) und das erste Konstantspannungseieraent (26) eine Temperaturkompensationsdiode (20) eingeschaltet und die Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors (16) an den Verbindungspunkt (22) von Diode (20) und Konstantspannungseiement (26) angeschlossen ist.

8. Meßumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß eine wenigstens einen Meßfühler (2; 160; 172—178) aufweisende Brückenschaltung (32; 152; 158; 170) über einen einstellbaren Widerstand (28) an die erste Konstantstromquelle (16, 18) angeschlossen ist.