-
Wideratand/Strom-MeBumformer Die Erfindung betrifft einen Widerstand/Strom-Meßumformer,
dessen in Abhängigkeit von einem eine Prozeßgröße überwachenden Fühlerwiderstand
gebrachter Ausgangsstrom einer die Prozeßgröße anzeigenden Last zugeführt ist.
-
Bei den bekannten Meßumformern werden beispielsweise Temperaturen
in Prozeßvorgängen durch Widerstands thermometer oder durch Heißleiter überwacht,
deren Widerstandswert ein Maß für die herrschende Temperatur ist.
-
Die bekannten Widerstand/Strom-Meßumformer sind als wechselstromgespeiste
Verstärker ausgebildet, die eine mit der inderung des Widerstandswertes variable
Impedanz darstellen und somit einen entsprechenden variablen Ausgangsstrom erzeugen.
-
Bei diesen bekannten Xeßumformern ist eine die Energie für den Verstärker
liefernde Wechselstromquelle über eine gesonderte Leitung mit dem Verstärker verbunden
und ebenso ist die Last über eine gesonderte Leitung mit dem Verstärker in Verbindung
gebracht. Bei einer räumlich getrennten Anordnung von Wechselstromquelle und Last
einerseits sowie Verstärker und Fühlerwiderstand andererseits sind somit zwei gesonderte
Fernleitungen mit Je zwei Leitern notwendig Außer den Kosten solcher Fernleitungen
besteht bei einer Wechselspannungsleitung zwischen der Wechselstromquelle und dem
Verstärker die Gefahr, daß diese Wechselspannungsleitung durch eine gefährliche
Atmosphäre verlegt werden muß, Us zu StUrungen Anlaß geben kann und wozu noch ein
Aufwand für Schutzeinrichtungen notwendig ist.
-
Bei einer Dreileiterschaltung ist der Fühlerwiderstand über drei Leitungen
mit dem Verstärker verbunden. Damit ergibt sich zwar die Möglichkeit der Einsparung
eines Leiters, wenn man annimmt, daß die Wechselstromquelle und der Verstärker im
gleichen Raum wie die Last angeordnet ist,Jedoch muß die Fernverbindung zwischen
dem Fühlerwiderstand und dem Verstärker überdimensioniert werden um den verfälsohenden
Einfluß der Übertragungsleiter klein zu halten. Außerdem ist dabei die Gefahr von
Ausfällen und Brummspannungseinfluß gegeben.
-
Dir Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter weiterer Verminderung
des Leitungsaufwandes- ein sicheres Zusammen arbeiten eines Widerstand/Strom-Meßumformers
mit einer die Prozeßgröße erfassenden Last zu erreichen.
-
Dies gelingt nach der Erfindung dadurch, daß die Betriebs energie
für den Meßumformer selbst dem Meßausgangsstromkreis entnommen wird, wodurch ein
Gleichstromverstärker direkt vor Meßort auf dis Brückenmeßschaltung mit Fühlerwiderstand
angeschlossen ist. Insbesondere gelingt es dadurch, daß eine den Fühlerwiderstand
enthaltende Brückenschaltung mit ihrem Ausgang direkt an den Eingang eines Gleichstromverstärkers
angeschlossen ist, so daß sich dessen Ausgangsimpedanz direkt mit der Brückenausgangsspannung
ändert, und daß der Eingang der Brückenschaltung sowie der Ausgang des Gleich stromverstärkers
über einen stabilisierenden Spannungsregler an die Reihenschaltung der Last mit
einer Gleichstromquelle angeschlössen ist.
-
Auf diese Weise ist nur eine aus zwei Leitern bestehende Ver bindungsleitung
zwischen Gleichstromquelle und Last einerseits und der davon räumlich entfernten
Fühlerwiderstands-Gleichstromverstärker-Anordnung andererseits erforderlich. 1 besondere
mit zunehmender Entfernung können dadurch Kosten für die Fernleitungen beträchtlich
eingespart werden und außerdem wird durch die Verminderung der Verbindungsleitungen
die Betriebs sicherheit der Anordnung erhöht. Bei diesem Meßumformer nach
der
Erfindung ist die Unabhängigkeit der Ausgangsströme des Gleichstromverstärkers von
der Versorgungsspannung gesichert und die Gefahr des Einflusses von gefährlichen
Gasen in der Atmosphäre ist durch die verwendeten niedrigen Gleiohspannungen verringert,
wenn nicht gar praktisch beseitigt, wobei der Gleichstromverstärker und die Brückenschaltung
durch spannungsbegrenzende Maßnahmen geschützt sind. Der Strom vom und zum Gleichstromverstärker
ist somit proportional der Unsymmetrie der Brückenschaltung,bei vom eingestellten
Bezugswert des Fühlerwiderstandes abweichenden Widerstandswerten.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hanc zweier in der Zeichnung
dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert. Es zeigt die Fig.
1 die nordnung der Gesamtschaltung, die Fig. 2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung
für die Brückenschalt'trg in Verbindung mit dem Gleichstromverstärker und er Last
sowie der Gleichstromquelle und die Fig. 3 eine Nachbildung der BrUckenschaltung
gemäß Fig. 1.
-
Nach Fig. 1 ist eine zusammen mit einer Gleichstromquelle 18 im gleichen
Raum angeordnete Last 12 über zwei Fernleiter 19, 20 an einem Widerstand/Strom-Meßumformer
17 angeschlossen, der von einem Fühlerwiderstand 11 gesteuert wird.
-
Gemäß Fig. 2 besteht die Brückenschaltung aus dem Fühlerwiderstand
11, dem mit ihm im gleichen Pfad angeordneten Abgleichwiderstand 21 sowie der den
anderen Pfad bildenden Reihenschaltung der Festwiderstände 22 und 23. Die beiden
Pfade sind mit der einen Eingangsklemme o der Brückenschaltung verbunden und können
auch gemeinsam an die andere Eingang klemme D angeschlossen sein. Aus weiter unten
noch näher dargelegten Gründen ist Jedoch nur der die Festwiderstände 22 und
23
enthaltende Pfad mit der Eingangsklemme D unmittelbar verbunden, wogegen der den
Abgleichwiderstand 21 und den Fühlerwiderstand 11 enthaltende andere Pfad mit dem
Abgriff eines RUckkopplungspotentiometerS 28 leitend verbunden ist, das einerseits
an die Eingangsklemme D sowie den einen Ausgang eines Gleichstromverstärkers 25
und andererseits über einen Leiter 20 und die Last 12 an den Minuspol einer Gleichstromquelle
18, z.B. einer Batterie angeschlossen ist. Der Pluspol der Gleichstromquelle ist
über einen Leiter 19 und einem stabilisierenden Spannungsregler 26 mit dem anderen
Ausgang des Gleichstromverstärkers sowie über Vorwiderstände mit dem Eingang C der
Brückenschaltung verbunden.
-
An die Eingangsklemmen C und D ist außerdem über den einen Vorwiderstand
eine stabilisierende Zener-Diode 24 angeschlossen, 80 daß der Ausgangsstrom des
Gleichstromverstärkers unabhängig von einer Änderung der Gleichspannung der Gleichstromquelle
18 konstant bleibt. Der Abgleichwiderstand 21 ist 80 eingestellt, daß die Brückenschaltung
bei einem bestimmten Widerstandswert des Fühlerwiderstandes 11 im Gleichgewicht
ist und keine Ausgangs spannung an den Ausgangsklemmen A und B auftreten kann, solange
der Fühlerwiderständ nicht von dem bestimmten Wert abweicht.
-
Die Ausgangsklemmen A und B sind mit dem Eingang des Gleichstromverstärkers
25 verbunden, der als gering abweichender Differentialverstärker ausgebildet ist
und als veränderliche Impedanz wirkt, deren Wert von der Spannung an den Ausgangsklemmen
A und B abhängt. Die Umwandlung der Spannung am Ausgang der Brückenschaltung in
einen Ausgangsetrom erfordert keine hohe Genauigkeit wegen der weiter unten näher
erläuterten Rückkopplungsanordnung.
-
Der stabilisierende Spannungsregler 26 besteht aus einem Transistor,
dessen Emitter-Kollektorkreis im Zuge der Leitung 19 liegt. Die Bezugsspannung für
den Transistor 26 wird von
einer Zener-Diode 27 geliefert, die dessen
Basis mit dem einen Ausgang des Gleichstromverstärkers, dem R ckkopplungßpotentiometer
28 und der Eingangsklemme D der BrUckenschaltung verbindet.
-
Bei zunehmendem Widerstandewert des Fühlerwiderstandes 11 wird die
Ausgangsklemme B gegenüber der Ausgangsklemme A positiv und verringert die Impedanz
des Gleichstromverstärkers 25. Die Verringerung der Impedanz bewirkt eine Zunahme
des über die Last 12 und das Rückkopplungspotentiometer 28 fließenden Ausgangsstromes
des Gleichstromverstärkers 25. Als Folge davon wird der Abgriff des RUckkopplungspotentiometers
28 negativ gegenüber der Eingangsklemme D und kompensiert den durch die Zunahme
des Fühlerwiderstandes 11 bedingten Spannungsanstieg an der Ausgangsklemme B. Die
Rückkopplungsspannung wirkt somit der vom Fühlerwiderstand abhängigen Brückenausgangsspannung
entgegen.
-
Während die Brückenausgangsspannung den Stromverbrauch des Gleichstromverstärkers
(Differentialverstärkers ) 25 verändert, wird die Rückkopplungsspannung am Rückkopplungspotentiometer
28 einem Pfad der Brückenschaltung zugeführt, um diese zu kompensieren. Die von
der Fühlerwiderstandsänderung herrührende Brückenstromänderung wird also durch die
Rückkopplungsspannung kompensiert und der Ausgangsstrom ist genau proportional der
Widerstandsänderung am Eingang des Gleichstromverstärkers.
-
An Hand der Fig. 5 ist eine mathematische Analyse der Schaltung nach
der Erfindung vorgenommen.
-
Bei Temperaturmessung mit Wiciers tands thermometern ergibt sich eine
Nichtlinearität des Ausgangastromes in Abhängigkeit von der Temperatur. Diese Nichtlinearität
ist sowohl durch die tatsächliche Nichtlinearität des Fühlerwiderstandes von der
Temperatur als auch durch die sogenannte Nichtlinearität der BrEckenschaltung bedingt.
Mit bestimmten Arten von Widerstandathermometern
können die beiden
Einflüsse aufgehoben und ein zur Temperaturänderung lineares Brückenausgangssignal
erhalten werden. Dies gelingt z.B. bei Widerstandsthermometern aus Nickeldraht und
verstärkt bei Widerstandsthermometern aus Platin.
-
Mit der Rückkopplungsanordnung in Fig. 2 wird die nichtlineare Wirkung
der Brückenschaltung beseitigt, so daß einzig der nichtlineare Effekt des Fühlerwiderstandes
selbst übrig bleibt. Übliche Werte für dessen Nichtlinearität bei einem Temperaturbereich
von OOC bis 1000C sind 0,57%, unter Verwendung von Fühlerwiderständen aus Platin
mit 100 St bei 0°C. Das bedeutet, daß einfache lineare Tabellen und Skalen in den
Meß- und Anzeigevorrichtungen benutzt werden können.
-
Zur Erläuterung. des Obengesagten sei auf die Pig. 3 verwiesen, in
der mit Vs die Versorgungsspannung, mit Vf die RUckkopplungsspannung, mit Io der
Ausgangsstrom, mit I1 der Pfadstrom bezeichnet ist.
-
R1 und R2 stellen die Festwiderstände, Rt den Widerstandswert des
Fühlers, Rto einen weiteren Festwiderstand und Rf den Rückkopplungswiderstand dar.
-
In der Schaltung nach Fig. 3 gilt für die an der Elemme A auftretende
Spannung VA 2 R2 Vs (Gleichung 1) R1 + R2 für die an der Klemme B auftretende Spannung
VB = Vs - I1 Rto (Gleichung 2) und für den Pfadstrom I1 = Vs = Vf (Gleichung 3)
Rto + Rt
Demgemäß gilt VB = Vs - ### # ### . Rto Wenn die Verstärkung
des Gleichstromverstärkers 25 ausreichend hoch ist, kann die Eingangsapannung VA
- V3 sehr klein sein, um einen bestimmten Ausgangsstrom zu erzeugen.
-
Demgemäß gilt VA # VB (angenähert) (Gleichung 4) Aus der Gleichung
(1,2,3 und 4) ergibt sich für die Rückkopplungsspannung Vf = R1Rt - R2 Rto Rto (R1
+ R2) . Vs Somit gilt für den Pfadstrom Ii
Somit ergibt sich für den Ausgangsstrom Io
(Gleichung 5) Aus der Gleichung (5) ist ersichtlich, daß der Ausgangsstrom eine
lineare Funktion des Eingangswiderstandes Rt ist.
-
Zusammenfassend gilt somit, daß die Gleichung (1) anzeigt, daß an
der Klemme A ein festes Signal auftritt, da Vs, R1 und R2 stabil sind. Aus den Gleichungen
(2 und 3) ist ersichtlich, daß an der Klemme B ein variables Signal erscheint. Die
Rückkopplungsspannung Vf wirkt der Spannung I1 . Rt am Ausgang des Widerstandsfühlers
entgegen. Da der Gleichstromverstärker
seinen Ausgangsstrom Io so
anpaßt, daß gilt VA = VB, können die Gleichungen (1, 2, 3 und 4) die Gleichung (5)
ergeben, was besagt, daß Io nur von der gewünschten Änderung von Rt abhängt und
alle anderen Größen unverändert bleiben.
-
6 Patentansprüche 3 Figuren