DE1948517C - Elektrische Meßschaltung zur Messung physikalischer Größen mit zweipoligem Aufbau unter Verwendung von Transistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Meßschaltung zur Messung physikalischer Größen mit zweipoligem Aufbau unter Verwendung von

65 Transistoren, wobei in einen Elektrodenzweig eines Transistors Meßwiderstände als 1 eil wenigstens einer Meßbrückenschaltung eingeschaltet sind und die Briickendiagonalspannung wenigstens einem Differenzverstärker zur Auswertung zugeführt wird.

In vielen Anwendungsfällen in der Meßtechnik ist es erforderlich, einen Schaltvorgang der unterschiedlichsten Art in Anhängigkeit von einer zu messenden physikalischen Größe durchzuführen, z. B. nach Art eine« Kontaktthermometers, eines Druckschalters od. dgl. Die Erfindung geht dabei aus von einem mechanischen Schalter für elektrische Zwecke, der in Abhängigkeit von einer derartigen physikalischen Größe schaltet bzw. umschaltet. Ein derartiger bekannter Schalter weist zwei Schaltstellungen auf. und zwar entweder die geöffnete oder die geschlossene Schaltstellung. Diese Art der Schaltung auf Grund einer Messung weist den entscheidenden Nachteil auf. daß das aus der jeweiligen Schalterstellung resultierende Signal 0 oder χ Ohm für eine Fernmessung keinen eindeutigen Rückschluß darauf ermöglicht, ob das Signal entspi-chend χ Ohm durch einen geöffneten Schalter oder durch einen Leitungsbruch bei eventuell geschlossenem Schalter entstanden ist oder etwa 0 Ohm durch einen geschlossenen Schalter oder durch einen Leitungskurzschluß bei geöffnetem Schalter entstanden sind. Darüber hinaus ist der mechanische Schalter durch seiner. Aufbau mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Halbleiter und kontaktlose veränderbare Widerstände direkt als Schalter einzusetzen, ist in den praktischen Anwendungsfällen nur sehr bedingt möglich.

Es sind zweipolige elektrische Meßschaltungen bekanntgeworden, bei denen von einem Meßwiderstand mehrere Leitungen zu einem geeigneten Verstärker geführt werden. Von diesem Verstärker erstrecken sich dann weitere Leitungen zu dem jeweiligen Auswertegerät. Der Aufwand dieser Meßschaltungen, insbesondere der Leitungsaufwand und der Versorgungsaufwand, ist demnach verhältnismäßig hoch. Durch die Verwendung einer solchen Vielzahl von Leitungen und deren Erfordernisse in der Führung und beim Anschluß ist eine derartige Meßschaltung neben diesem Aufwand auch stark störungsanfällig.

Es ist ferner eine als Meßumformer dienende Schaltung der eingangs angegebenen Art bekanntgeworden. Diese bekannte -Schaltung zeigt jedoch keinerlei Schaltverhalten, sondern muß als Analogbzw. Meßverstärker angesehen werden. Wegen des mangelnden Schaltverhaitens kann diese bekannte Schaltung zur Lösung der geschilderten Probleme nicht herangezogen werden.

Es ist schließlich eine Schaltung zur Umsetzung mechanischer Größen in elektrische Größen bekanntgeworden, bei der jedoch die zu messende Größe keinen Widerstand und auch keine Impedanzen verändert, sordern lediglich die induktive Rückkopplung zwischen zwei Spulen in einem HF-Kreis, wobei diese induktive Rückkopplung durch die mechanische Größe beeinflußt wird. Es ist ferner zur Verringerung der Dämpfung des HF-Kreises eine transistorisierte Nachschalteinheit vorgesehen, die über den Emitterkreis des zugehörigen Transistors angekoppelt wird. Es wird hier zwar ein gewisses Schaltverhalten in Abhängigkeit von einer mechanischen Größe bzw. in Abhängigkeit aller auf eine mechanische Veränderung zurückgeführter physikalischer Größen er-

zielt, im übrigen sind jedoch Aufgabe und Funktion vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung völlig verschieden. Bei einer ähnlichen weiteren bekannten Schaltung wird das Drehmoment der elektrischen Eingangsgröße mit dem Drehmoment des Ausgatgsstroms in einer Drehspule verglichen und die Differenz der Drehmomente durch einen Zeiger sichtbar gemacht Auch hier liegt vom Aufbau und voa der Funktion keine Berührung mit der geschilderten Meßschaltung und deren Aufgabe vor. Beide bekannten Schaltungen können zur Lösung der geschilderten Probleme nicht herangezogen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Meßschaitung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit Hilfe derer die geschilderten Nachteile der mechanischen Schalter beseitigt werden, also eine eindeutige Aussage über das Meßergebnis erreicht wird, und ferner der geschilderte große Aufwand der bekannten elektronischen Meßschaltungen vermieden wird.

Es wird hier darauf hingewiesen, daß zur Vereinfachung der Darstellung für die Beschreibung des Feldeffekttransistors die gleichen Bezeichnungen gewählt worden sind, wie sie für eine Elektronenröhre üblich sind. Es werden die Elektroden dieses Feldeffekttransistors daher im folgenden als Kathode, Gitter und Anode bezeichnet.

Die geschilderte Aufgabe wird an der Meßschaltung der eingangs angegebenen Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Brückenschaltung, de·- Differenzverstärker und ein durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers steuerbarer Strompfad aus einem Transistor und einem mit diesem in Reihe geschalteten .■»trombegrenzungswiderstand zueinander parallel in den Kathodenkreis eines Feldeffekttransistors mit Sperrschichteingang eingeschaltet sind.

Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe einer derartigen elektrischen Meßschaltung eine Schaltung mit zweipoligem Aufbau erzielt wird, die sich in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe werigstens annähernd wie ein Schalter verhält und vor allem für ein Fernmeß- und Störmeldesystem eine sehr gute Lösung eines Schalters ergibt. Mit Hilfe der Meßschaltung nach der Erfindung wird erreicht, daß der im Kathodenkreis des Feldeffekttransistors entstehende Spannungsabiall am K.athodenwiderstand nicht nur als relativ negative Gitterspannung, sondern gleichzeitig als Versorgungsspannung für die in Parallelschaltung angeschlossenen weiteren Schaltungen oder Schaltungsgruppen dient. Es übernimmt der Innenwiderstand der geschilderten Parallelschaltung teilweise oder ganz die Funktion des im Kathodenkreis liegenden Kathodenwiderstands zur Arbeitspunktstabilisierung am Feldeffekttransistor mit Sperrschichteingang. Der Innenwiderstand der im Kathodenkreis liegenden Parallelschaltung ist durch die von der zu messenden Größe veränderbaren elektrischen Widerstände dadurch beeinflußbar, daß die im Kathodenkreis liegende Brückenschaltung einen oder mehrere dieser steuerbaren Widerstände aufweist. Die aus einer Verstimmung der Brückenschaltung resultierende Diagonalspannung der Brückenschaltung steuert den Differenzverstärker dv; Parallelschaltung aus und den im Kathodenkreis liegenden steuerbaren Strompfad durch. Dadurch fällt der Innenwiderstand der gesamten im Kathodenkreis liegenden Parallelschaltung, so daß der Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung in Form eines eingeprägten Stromes steigt bzw. "die gesamte Zweipolschaltung leitend oder sperrend wird.

Werden für die durch die zu messende Größe veränderbaren Widerstände PTC, NTC, Feldplatten, Fotowiderstände, Halbleiter - Dehnungsmeßstreifen oder ähnliche Widerstandselemente verwendet, so ergibt sich each der Erfindung eine Zweipolschaltung, die in Abhängigkeit vieler physikalischer Größen schalten bzw. Signale abgeben kann. Die Lebensdauer,

ίο die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit sind auch unter härtesten Umweltbedingungen größer als bei den herkömmlichen Schaltern. Es dtgibt sich eine theoretisch unendliche Lebensdauer für die Meßschaitung nach der Erfindung. Die Schaltgenauigkeit is ist durch die Brückenschaltung bestimmt und daher stets gewährleistet. Wird eine d. «rtige Schaltung im Fühler oder in einem Meßwertgeber eines Meßgeräts eingebaut, so ergibt sich eine passive zweipolige Schaltung, die in Abhängigkeit der jeweiligen Meß- oder Eingangsgröße schaltet.

Wesentlich ist dabei, daß das geschilderte einfache Schaltverhalten eines mechanischen Schalters hier überwunden wird. Es gestattet die elektrische Meßschaltung nach der Erfindung don sogenannten Life-Zero-Betrieb mit z. B. einem Stromsignal von 1 bis 5 mA oder vorzugsweise 4 bis 20 mA. Das aus der Meßschaltung resultierende Stromsignal ermöglicht eint einfache, aber eindeutige Auswertung der jeweils zu rr_-ssenden Größe. Ein fehlender Strom, also die Stromgröße 0, zeigt eindeutig an, daß der Meßkreis gestört ist, z. B. durch eine Leitungsunterbrechung. Die erste Stufe des Stromflusses, die Stromgröße I bei 7. B. 4 mA, zeigt an, daß der Meßkreis in Ordnung ist und sich der so gebildete Schalter in einer ersten Schalterstellung befindet. Im weiteren Stromzustand der Meßschaltung ergibt sich eine Stromgröße, nämlich die Stromgröße II bei z. B. 20 mA, die eindeutig anzeigt, daß der Meßkreis sich in Ordnung befindet und der Schalter seine zweite Schalterstellung eingenommen hat. Bei einer weiteren Stromgröße, z. B. der Stromgröße Hl mit einer Stromstärke die z. B. 10% höher als bei der Stromgröße II ist (z. B. g 22 mA) ergibt sich die eindeutige Aussage, daß der Meßkreis gestört ist, und zwar durch einen Leitungskurz-Schluß. Daraus ergibt sich, daß auf sehr einfache Weise nicht nur die Meßgröße selbst, sondern auch gleichzeitig der Zustand des gesamten Meßkreises überwacht wird.

Da die Größe des Versorgungsstromes infolge des durch den Feldeffekttransistor eingeprägten Stromwertes nur durch die Eingangsgröße innerhalb des Arbeitsbereichs bestimmt ist, wird der Versorgungsstrom gleichzeitig als Signalstrom benutzt. Schwankungen des Leitungswiderstandes und Temperaturänderungen an den Kupferleitungen odor an den Ubergangswiderständen, an Schaltern, Steckern, Klemmleisten, Schleifringübertragern od. dgl. sowie induktive Fremdspannung und Spannungsabfälle an langen gemeinsamen Leitungen haben keinen Einfluß auf die Schaltgenauigkeit und auf das eingeprägte Stromsignal. Dadurch ist es auch möglich, mehrere elektrische Meßschaltungen nach der Erfindung, also mehrere geschaffene Zweipolschaltungen, an eine zentrale Versorgungsspannung anzuschließen. Ferner

kann die nach der Erfindung geschaffene passive Zweipolschaltung als eigensicher angesehen werden und in Verbindung mit eigensicheren Netzgeräten in explosionsgefährdeten Räumen betrieben werden.

Nach einer Ausfiihrungsform der Erfindung sind mehrere steuerbare Strompfade parallel geschaltet und die Strombegrenzungswiderstände jeweils unterschiedlich bemessen. Dadurch wird ermöglicht, daß in der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zwei physikaiische Größen überwacht werden können, die funktionsmäßig zusammengehören. Die logische Auswertung des Ausgangsstroms der Meßschaltung läßt daher Rückschlüsse auf den Zustand mehrerer Meßgrößen zu.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Ausgänge der Differenzverstärker an jeweils einen digitalen Schaltkreis und deren Ausgänge an die steuerbaren Strompfade angeschlossen. Besteht der digitale Schaltkreis z. B. aus einem bistabilen Multivibrator, so kann eine Meßwertüberschreitung festgehalten werden. Wird dagegen als digitaler Schaltkreis ein monostabiler Multivibrator verwendet, so kann aus dem jeweiligen Meßsignal eine Impulsfolge erzeugt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist zur Rückkopplung aus dem steuerbaren Strompfad oder den steuerbaren Strompfaden in die zugehörige Brückenschaltung ein Rückkopplungswiderstand zwischen der Verbindungsstelle von Strompfadtransistor und Strombegrenzungswiderstand und einem Brückenbegrenzungswiderstand und einem Briickentweig eingeschaltet. Dadurch wird ein Hysteresisverhalten der Meßschaltung erzielt.

Nach einer weiteren Ausfiihrungsform der Erfindung ist in der Brückenschaltung ein weiterer veränderbarer Widerstand eingeschaltet und dieser Widerstand durch die in einem Strombegrenzungswiderstand eines Strompfades frei werdende Energie infolge entsprechender Kopplung zwischen Strombegren-Zungswiderstand und veränderbarem Widerstand veränderbar. Dadurch wird die besondere Eigenschaft der Meßschaltung erreicht, daß die in dem Strombegrenzungswiderstand des zugehörigen Strompfades frei werdende Energie dazu benutzt werden kann, direkt oder indirekt die durch die Meßgröße entstehende Brückenverstimmung zu beeinflussen, insbesondere zu kompensieren. Es kann dabei die frei werdende Wärmeenergie oder das erzeugte elektromagnetische Feld benutzt werden. Ferner kann eine optischer oder mechanisch durch Wärme erzeugte Einwirkung verwendet werden.

Nach einer eren Ausführungsform der Er* findung ist zu der gesamten Reihenschaltung aus Feldeffekttransistor und Parallelschaltung aus Brückenschaltung, Differrker und Strom* pfad eine Leistungsstufe parallel geschaltet, die durch einen Spannungsabfall im Strompfad gesteuert wird. Die parallelgeschaltete Leistungsstufe bildet mit der beschriebenen Reihenschaltung erneut eine elektronische Zweipolschaltung, so daß auch verhältnismäßig große Leistungen unmittelbar geschaltet werden können.

Die gesamte Meßschahung nach der Erfindung kann in weiterer Ausbildung in integrierter Technik aufgebaut sein, wodurch sich eine besonders einfache und in der praktischen Anwendung mit sehr geringem Aufwand behaftete Bauweise ergibt

In der Zeichnung sind- mehrere Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Wirkung des FeldeffekttransKtors mit Sperrschichteingang,

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung dei im Kathodenkreis des Feldeffekttransistors angeord· neten Brückenschaltung,

F i g. 3 das Grundschaltbild der Meßschaltunj nach der Erfindung,

F i g. 4 bis 9 jeweils ein Schaltbild verschiedenei Ausrührungsformen der Meßschaltung nach der Erfindung.

Wie bereits eingangs ausgeführt worden ist, bestehl der Grundgedanke der Erfindung darin, die bei einem Feldeffekttransistor mit Sperrschichteingang entstehende relativ negative Gittervorspannung IZ₁ als Versorgungsspannung für die im Kathodenkreis des Feldeffekttransistors liegende Parallelschaltung zu benutzen, deren mit R₁ bezeichneter Innenwiderstand über eine kleine Widerstandsänderung an einem durch die Meßgröße veränderbaren Widerstand sich sprunghaft durch die im Kathodenkreis liegende Parallelschaltung verändert und damit die gesamte zweipolige Schaltungsanordnung in einen sperrenden Zustand (z. B. mit einem eingeprägten Sipnalstroni von 4 mAl oder in einen leitenden Zustand (z. B. mit einem ein ^prägten Signalstrom von 20 mA) versetzt. Als Beispiel möge hier angeführt werden, daß bei reiner Schalteranwendung der Strom im sperrenden Zustand in der Größenordnung /on 0,1 mA und der Signalstrom im leitenden Zustand bis 10OmA betragen kann. Bei einem Einsatz als Leistungsschalter in der noch zu beschreibenden Art kann der Strom im leitenden Zustand sogar bis ungefähr 3 A betragen

An Hand der F i g. 1 wird zunächst das hier zugrunde liegende Prinzip beschrieben. Der Feldeffekttransistor mit Sperrschichteingang ist mit Tl. der Kathodenwiderstand mit R_k bezeichnet. In Reihe mit dem Feldeffekttransistor ist bei 1 ein geeignetes Anzeige- oder Auswertegerät eingeschaltet. Der Spannungsabfall am Kathodenwiderstand mit der Größe K₄ * I_a, wobei /„ den Ausgangs- oder Signalstrom bezeichnet, erzeugt die relativ negative Gittersperrspannung für den Feldeffekttransistor und stabilisiert über den Arbeitspunkt den Anodenstrom oder Ausgangsstrom /„.

Gemäß F i g. 2 ist in den Kathodenkreis des Feldeffekttransistors eine Brückenschaltung aus den Widerständen R₁, R2, A3 und R4 eingeschaltet. Feiner ist mit dem Feldeffekttransistor T1 in Darlington-Schaltung ein weiterer Transistor Tl verbunden, der zur Stromverstärkung ohne Beeinflussung der Funktion des Feldeffekttransistors dient Der Widerstand R .1 in der Briicke.ischaltung ist durch die jeweilige Meßgröße veränderbar, wie darch den Pfeil χ angedeutet ist. '

Der Kathodenwiderstand R_k ist z. B. so groß gewählt, daß ein Gnmdstrom von etwa 4 mA fließt. Der Widerstand R 2 in der Brackenschaltung dient zur Verdopplung der hn Kathodenkreis liegenden Spannung U₂, die gleichzeitig ab Versorgungsspannung für die im Kathodenkreis liegende Brückenschaltung und damit bei den noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen für die im Kathodenkreis liegenden weiteren Schaltungsstelle, nämlich die gesamte Parallelschaltung, dient Die MeBwiderstände R3 und Λ4 liegen parallel zu den Widerständen R_t und K 2 und bilden mit ihnen die Brückenschaltung. Durch die gewählte HochohndgkeH gegenüber Jen Widerständen K₁ und R 2 haben sie keinen direkten EmfluB auf den Grundstrom, jedoch bestimmt die Differenz von A3 und R 4 die Diagonalspannung V₄

der Brückenschaltung. Es sind hier die folgenden Gleichungen maßgebend:

= L

P_k- R4 - Rl-Ri

Rk	+ Rl	+ R3	+ R4 '
uk	2	+ uk
Rk	1 R3	+ R4	*
uk	■ υ>	(Rk +	R 2)

^zB·

Ml

R_k(R3

0%

, _ Ml . Uk ^la - R ⁺ R

R₄ ^T R*(R3 + R4)

B =-- 20mA\ 100% J

20

F i g. 3 zeigt die Grundschaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Tl ist wiederum in Da/lington-Schaltung mit dem zusätzlichen Transistor Γ 2 verbunden, um die Steilheit um die Strom- verstärkung von T 2 zu erhöhen. Der Transistor Tl nimmt ferner die volle elektrische Verlustleistung auf. Wie F i g. 3 zeigt, ist in den Kathodenkreis des Feldeffekttransistors Tl mit seinem verstärkenden Transistor Tl eine Parallelschaltung eingeschaltet, die aus der bereits beschriebenen Brückenschaltung aus den Widerständen R₁₁, Rl, R3 und R4, aus einem an die Brückendiagonale angeschlossenen Differenzverstärker V und einem durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers V steuerbaren Strompfad aus dem Transistor TS und dem Strombegrenzungswiderstand R 5 besteht. Die Parallelschaltung ist hinsichtlich der Versorgung dieser drei Schaltungsteile vorgenommen, wie F i g. 3 deutlich zeigt.

Der Differenzverstärker V wird von der im Kathodenkreis Hegenden Spannung V, (F i g. 2) versorgt und verstärkt die positive Diagjnalspannung U_d (F i g. 2) der Brückenschaltung.

Die Funktion dieser Grundschaltung ist die folgende: Infolge einer Veränderung des durch die Meßgröße beeinflußten Widerstands R 3 in der Brückenschaltung wird diese Brückenschaltung verstimmt Mit zunehmender Verstimmung wird der Transistor TS des steuerbaren Strompfades leitend infolge der Steuerung durch den Differenzverstärker V. Es wird daher der Innenwiderstand R₁ der im Kathodenkreis des Feldeffekttransistors liegenden Parallelschaltung ständig kleiner, und der eingeprägte Signalstrom J, steigt entsprechend. Der in dem Strompfad mit dem Transistor TS in Reibe geschaltete Strombegrenzungswiderstand RS begrenzt den minimalen Innenwiderstas d R, der Parallelschaltung und damit auch den Strom /. auf den jeweils gewünschten Maximalwert, z. B. auf 20 mA. Es führt daher jede Verstimmung der 1 irückenschaltung durch die Meßgröße zu einer über.Mhrung der gesamten Schaltungsanordnung in die leitende Grenzstellung, hier z. B. 20 mA aus der früheren Grundstellung mit z. B. 4 mA.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, ausgehen J von der Grundschaltung, gemäß F i g. 3. Es ist hier der Differenzverstärker V in seinen Bauelementen dargestellt, braucht jedoch wegen seiner bekannten Bauweise mit seinen einzelnen Bauteilen hier nicht beschrieben zu werden. Die Brückenschaltung entspricht der gemäß F i g. 2 und 3, ebenso ist wiederum der steuerbare Strompfad aus Transistor Γ 5 und Strombegrenzungswiderstand R 5 der Brückenschaltung und dem Differenzverstärker V versorgungsmäßig parallel geschaltet. Gemäß F i g. 4 ist aus dem Strompfad TS, RS über einen Widerstand R 7 in die Brückenschaltung elektrisch rückgekoppelt. Dadurch wird das erwünschte Kippverhalten beim Schalten der Schaltungsanordnung verbessert. Es bestimmt R 7'die Größe der Schalthysteresis. Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 ist besonders als Schalter geeignet und schaltet in Abhängigkeit von der Größe, die den Meßwiderstand R 3 oder auch einen als Meßwiderstand ausgebildeten Meßwiderstand R 4 direkt oder indirekt beeinflußt. Die Schaltungsanordnung bild it daher eine Kontaktthermometerersatz, wenn R 3 ein temperaturabhängiger Meßwiderstand ist.

Auch die F i g. 5 entspricht in ihrer Grundschaltung de·· Ausführung nach F i g. 3. Wiederum sind die Brückenschaltung, der Differenzverstärker V und der durch diesen gesteuerte Strompfad T 5, R 5 versorgungsmäßig parallel geschaltet innerhalb des Kathodenkreises des Feldeffekttransistors Tl mit dem mit ihm verbundenen Transistor T 2. Bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 5 ist jedoch nicht wie in F 1 g. 4 eine elektrische Rückkopplung des steuerbaren Strompfades in die Brückenschaltung vorgesehen, vielmehr ist der Widerstand R 4 der Brückenschaltung veränderbar durch die in dem Strombegrenzungswiderstand RS des steuerbaren Strompfades frei werdende Energie, wie durch den Pfeil 3 in F i g. 5 angedeutet ist. Es wird dabei die in dem Strombegrenzungswicerstand RS frei werdende Energie dazu verwendet, direkt oder indirekt die durch die Meßgröße entstehende Verstimmung der Brückenschaltung zu kompensieren. Als frei werdende Energie kann hier unmittelbar die Wärmeenergie, das erzeugte elektromagnetische Feld oder auch auf optischem oder mechanischem Weg die im Strombegrenzungswiderstand R S frei werdende Energie ausgenutzt werden. Dabei sind z. B. zwei Fälle möglich:

a) Es sind die Widerstände R 3 und R 4 der Brücken- ;chaltung veränderliche Meßwiderstände mit gleicher Eigenschaft. Die durch die Meßgröße erfolgende direkte oder indirekte Widerstandsveränderung von R 3 steuert den Differenzverstärker V aus, bis die in dem Strombegrenzungswiderstand RS frei werdende Energie direkt oder indirekt auf den Meßwiderstand R 4 der Brückenschaltung einwirkt und bei annähernd unendlicher Kreisverstärkung wieder die Nullage hergestellt wird. Es ist dann der Signalstrom /„ der Schaltungsanordnung in dem Schaltungsbereicb von z. B. 4 bis 20 mA ein analoges Stromsignal der Hingangsgröße bzw. der einwirkenden Meßgröße.

b) Es wird die in dem Strombegrenzungswiderstand RS frei werdende Energie dazu verwendet, die auf den Meßwiderstand R 3 oder auch auf den weiteren veränderbaren Widerstand R 4 der Brückenschaltung einwirkende Meß- oder Eingangsgröße direkt oder indirekt zu kompensieren. Auch hier ist dann der Signal- oder Ausgangsstrom /, in dem Schaltbereich ein analoges Stromsignal der Eingangsgröße.

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Die Schaltungsanordnung nach F i g. 6 ist aus der einer bestimmten Stromstärke, ζ. Β. 12 mA, ermöglicht. Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 weiter entwickelt. Es kann hier mit Hilfe der Schaltungsanordnung nach Es enthält nämlich die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung eine Grenzwertanzeige oder -regelung F i g. 6 in dem Kathodenkreis zwei vollständige ermöglicht werden. Dabei liegt ein unterer Grenzwert Parallelschaltungen gemäß der Schaltungsanordnung 5 bei der im Schaltbereich eingeführten Stromstärke nach Fig. 4. Es sind dabei die Bezugszeichen der des Ausgangsstroms/„von z. B. 12 mA und ein oberer zweiten Parallelschaltung mit dem Index »'« ver- Grenzwert bei der Stromstärke des leitenden Zusehen. Die Besonderheit dieser Schaltungsanordnung Standes, z. B. also bei 20 mA.

liegt darin, daß durch entsprechende Wahl der Größe Eine weitere Abwandlung der Schaltungsanordnung des jeweiligen Strombegrenzungswiderstandes R 5 und _I0 nach der Erfindung zeigt F i g. 8. Hier ist von der R S' verschiedene Strombegrenzungen für die beiden Grundform gemäß F i g. 4 ausgegangen worden. Es steuerbaren Strompfade vorgesehen sind, z. B. die rinden sich die entsprechenden Elemente der Brückenin der Zeichnung angegebenen Strombegrenzungen schaltung, des Differenzverstärkers V und des steue»·- von 5 und 11 mA, die in ihrer Summe 16 mA ergeben. baren Strompfades TS, R5. Es ist hier jedoch an den Dadurch wird ermöglicht, daß über die jeweils ver- _I5 Ausgang des Differenzverstärkers zunächst ein Stromänderbaren Widerstände R 3 und R 3' in den beiden pfad aus dem Transistor T6 und dem Begrenzungsparallelen Brückenschaltungen zwei physikalische widerstand Λ 9 angeschlossen. Dieser Strompfad hat Größen überwacht werden können, die funktions- jedoch nur einen Einfluß auf die Kreisverstärk jng und mäßig zusammengehören. Es ist dadurch eine einfache das Kippverhalten dieser Stufe, der eigentliche steuerlogische Auswertung eines Eingangsstromes für zwei ₂o bare Strompfad ist wiederum durch den Transistor TS oder auch mehrere Meßgrößen möglich. Als Beispiel und den Strombegrenzungswiderstand R 5 gebildet, soll folgendes angeführt werden: Der Ausgang des Differenzverstärkers V ist bei

In einem Kühlwasserkreis sind zwei zu über- dieser Ausführungsform jedoch über den Strompfad

wachende Größen vorhanden, nämlich a) die Kühl- T 6, R 9 an einen digitalen Schaltkreis Dangeschlossen,

wassertemperatur und b) die strömende Wassermenge. 25 dessen Ausgang wiederum an den steuerbaren Strom-

Jeweils eine dieser Größen wirkt auf einen der Wider- pfad TS, RS angeschlossen ist. Die Schaltungstechnik

stände R3 und R3' ein. Entsprechen die Kühlwasser- ist klar aus F i g. 8 ersichtlich,

temperatur und die strömende Wassermenge den Bei der der Veränderung der Meßgröße entspre-

vorgesehenen Sollwerten, dann befindet sich die chenden Veränderung des Widerstands R 3 der

Schaltungsanordnung in ihrem gesperrten Zustand, 30 Brückenschaltung wird eine positive Spannungsflanke

der Ausgangsstrom liegt im gewählten Ausführungs- erzeugt, die den digitalen Schaltkreis D und darauf

beispiel auf 4 mA. Oberschreitet die Kühlwasser- hin den Transistor T 5 des steuerbaren Strompfades

temperatur dagegen ihren Sollwert, so steigt dfr schaltet. Die weitere Funktion dieser Schaltungs-

Ausgangsstrom infolge der Verstimmung der Brücke anordnung entspricht der an Hand F i g. 4 beschrie-

mit dem Widerstand R 3 und der Steuerung des 35 benen.

Strompfades Γ 5, R 5 auf z. B. 9 mA. Fällt jedoch die Hier sind zwei einfache Ausführungen ..töglich.
strömende Wassermenge unter ihren Sollwert, dann Ist der digitale Schaltkreis Dz.B. als ein monosteigt der Ausgangsstrom durch Verstimmung der stabiler Multivibrator ausgebildet, so entsteht bei Brückenschaltung mit dem Meßwiderstand R 3' und jedem Durchschalten der Schaltung ein definierter die Steuerung des Strompfades T 5\ R 5' auf den 40 Stromimpuls. Der daraus resultierende arithmetische Wert 15 mA. überschreitet die Kühlwassertemperatur Mittelwert des Ausgangsstromes oder Signalstromes ihren Sollwert und fällt gleichzeitig die strömende I₀ steigt mit der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit Wassermenge unter ihren Sollwert, so steigt der Aus- linear an. Ist z. B. der Meßwiderstand R 3 eine Feldgangsstrom /„ durch die Veränderung beider Brücken- platte in einem rotierenden oder pulsierenden Magnetschaltungen und beider steuerbarer Strompfade von 45 feld, so ist der Ausgangs- oder Signabtrom l_a eine 4 auf 2JmA gemäß den gewählten Werten. Es ist Funktion der Drehzahl oder der Impulse je Zeithierdurch die Möglichkeit der einfachen logischen einheit

Auswertung eines Signalstromes für zwei oder auch 1st der digitale Schaftkreis O dagegen z. B. als bi-

mehrere Meßgrößen möglich. Im letzteren Fall sind stabiler Multivibrator ausgebildet, so erfolgt ein

dann wettere vollständige beschriebene Parallelschal- 50 einmaliger Schaltvorgang bei der Überschreitung des

tungen in den Kathodenkreis einzubringen. jeweils vorgegebenen Sollwertes. Die hier geschaffene

Eine wei'ere Ausführungsform der Schaltungsan- zweipolige Schaltungsanordnung speichert diesen Ordnung nach der Erfindung zeigt die F i g. 7. Diese Schaltvorgang und ermöglicht damit eine Grenzwert-Schaltungsanordnung geht praktisch aus der Schal- abschaltung oder eine Grei signalisierung sowie tungsanordnung gemäß F i g. 4 hervor. Die in F i g. 7 55 eine Störwertspeicherung.

dargestellte Schaltungsanordnung enthält in dem F t g. 9 zeigt im Schaltbild eine Ausfuhrungstorni

Kathodenkreis des Feldeffekttransistors Π mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, die

seinen) Transistor Tl eine einzige Brückenschalt-ing als Leistungsschalter verwendet werden kann. Es

aus den Widerständen R₄, R2, R3 und R4. Die entspricht zunächst der im linken Teil der Fig.9 Brückendiagonale ist in diesem Fall jedoch an zwei 60 mit dünnen Linien dargestellte Schaltungsteil der

gesonderte Differenzverstärker V und V sowie an Grundform nach F i g. 4 ohne den zusätzlichen Tran-

die diesen nachgeschalteten steuerbaren Strompfade sistor TX Ferner ist der Strompfad mit dem Tran-

TS, RS und TS', RS' angeschlossen, woraus sich sistor T6 und den Widerständen R9' entsprechend

die gesamte ParaUelschaltung innerhalb des Kathoden- F i g. 8 zu betrachten. An diesen Schaltungsteil ist kreises ergibt Es sind hier jedoch über die beiden 6s in der dargestellten Weise eine Leisiungsstufe mi* den

Strombegrenzungswiderstände RS und R 5' die glei- Transistoren T1 parallel angeschlossen, insgesamt

chen Strombegrenzungen von z. B. jeweils 8 mA ge- ergibt sich erneut eine zweipolige Schaltungsanord-

wähtt Dadurch wird ein weiteres Stromsignal bei nung. über die Spannung 1/7 an den Widerstän-

den R 9' wird der auf der rechten Seite der F i g. 9 in fetten Linien dargestellte Leistungsschaltkreis gesteuert. Der Spannungsabfall U_arc am Leistungsschaltkreis wird durch die Zenerdioden D1 und Dl erhöht, damit auch bei durchgeschalteter L eistüngsstufe noch die volle Versorgungsspannung U, für die im Kathodenkreis liegende Parallelschaltung und Steuerspannung vorhanden ist.

Aus der vorstehenden Betrachtung der Ausfüh- -ungsbeispieie ergibt sich, daß die Größe des Versorgungsstroms für die gesamte jeweilige zweipolige Schaltungsanordnung nur durch die Meßgröße über di<3 Verstimmung der Brückenschaltung innerhalb des jeweiligen Arbeitsbereichs der Schaltungsanordnung bestimmt ist, so daß der Versorgungsstrom I_n zugleich ds Signalstrom benutzt werden kann. Es

ergibt' sich je nach Anwendungs- und Meßfall ein definierter 'Schaltzustand der Schaltungsanordnung entsprechend einer Schalterstellung, zugleich aber wird eine eindeutige Bestimmung der Schalters'tllungen unter Ausschluß von Leitungsstörungen ermöglicht. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung erlaubt in der mehrfach beschriebenen Weise die Anzeige oder Darstellung von Zwischengrößen, Grenzwerten oder Grenzwertüberschreitungen sowie auch die analoge Darstellung einer einzigen oder mehrerer miteinander verknüpfter Meßgrößen.

Zweckmäßig ist die gesamte Schaltungsanordnung nach der Erfindung in integrierter Technik aufgebaut, um eine möglichst normierte Vorfertigung und einfache Montage für die jeweiligen Anwendungsfallc zu erlauben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ^ 1. Elektrische Meßschaltung zur Messung physikalischer Größen mit zweipoligem Aufbau unter

   * Verwendung von Transistoren, wobei in einen Elektrodenzweig eines Transistors Meßwiderstände als Teil wenigstens einer Meßbrückenschaltung eingeschaltet sind und die Brückendiagonalspannung wenigstens einem Differenzverstärker zur Auswertung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung, der Differenzverstärker (K; V) und ein. durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers steuerbarer Strompvd aus einem Transistor ( 75; Γ 5') und einem mit diesem in Reihe geschalteten Strombegrenzungswiderstand (R 5; R 5) zueinander parallel in den Kathodenkreis eines Feldeffekttransistors ( Tl) mit Sperrschichteingang eingeschaltet sind.
2. 2. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strompfade parallel geschaltet sind und die Strombegrenzungswiderstände (R5, R 5') jeweils unterschiedlich bemessen sind.
3. 3. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Differenzverstärker ( V\ an jeweils einen digitalen Schaltkreis (D) und deren Ausgänge an d ; steuerbaren Strompfade ( T5, R 5) angeschlossen sind.
4. 4. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückkopplung aus dem steuerbaren Strompfad oder den steuerbaren Strompfaden in die zugehörige Brückenschaltung ein Rückkopplungswiderstand (R 7; R 7') zwischen der Verbindungsstelle von Strompfadtransistor (T5, 75', T 6) und Strombegrenzungswiderstand {RS, RS') und einem Brückenzweig (R3, R4: R3\ R 4') eingeschaltet ist.
5. 5. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brückenschaltung ein weiterer veränderbarer Widerstand (R 4) eingeschaltet ist und dieser Widerstand durch die in einem Strombegrenzungswiderstand (R 5) eines Strompfades frei werdende Energie infolge entsprechender Kopplung zwischen Strombegrenzungswiderstand (R 5) und veränderbarem Widerstand (R 4) veränderbar ist.
6. 6. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der gesamten Reihenschaltung aus Feldeffekttransistor (Tl) und Parallelschaltung aus Brückenschaltung, Differenzverstärker und Strompfad eine Leistungsstufe (Tl) parallel geschaltet ist, die durch einen Spannungsabfall (L/7) im Strompfad gesteuert wird.
7. 7. Meßschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung in integrierter Technik aufgebaut ist.

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