DE2038027B2 - Widerstand/strom-messumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Widerstand/Strom-Meßumformer, bestehend aus einem die Prozeßgröße überwachenden Widerstandsferngeber oder Widerstand und einem von diesem gesteuerten Gleichstromverstärker sowie einer von der Impedanz des Gleichstromverstärkers abhängigen, die Meßgröße anzeigenden Last, die in die eine Zuleitung von der Stromquelle zum Meßumformer eingeschaltet ist.

Es sind jedoch auch andere von Prozessen gesteuerte Widerstände möglich. Meßumformer und Meßanordnungen nach der Erfindung werden insbesondere dann mit Vorteil gegenüber bekannten Meßumformern dieser Art eingesetzt, wenn am Meßort kein Speisestrom zur Verfügung steht, und wenn zur Übertragung von Meßstrom und Speisestrom nur ein Aderpaar oder auch eine Ader genügen muß.

Dabei kann die Anordnung des Meßumformers so gewählt werden, daß entweder die Summe von Meßstrom und Speisestrom die Meßinstrumente durchfließt, wobei sich z. B. ein Strombereich von 4... 20 mA (lebender Nullpunkt oder Live-Zero) erzielen läßt, oder daß nur der eigentliche Meßstrom — z. B. 0... 20 mA — die Meßinstrumente durchfließt

Aus der DAS 18 05 918 geht ein Widerstand/Strom-Meßumformer hervor, bei dem die Meßinstrumente in eine von zwei Verbindungsleitungen zwischen dem Meßumformer und der Speisestromquelle eingeschaltet sind. Als Geber für diesen Meßumformer dient ein Widerstandsthermometer, insbeondere ein Platinwiderstandsthermometer. Dieses Widerstandsthermometer ist mit drei weiteren Widerständen zusammen in eine Brücke geschaltet und an eine im Meßumformer erzeugte, konstante Spannung gelegt. Bei diesem Meßumformer kann z. B. der Strombereich 4... 20 mA normalerweise nicht erreicht werden, weil die Summe der festen Ströme in den Brückenzweigen und in der Spannungsstabilisierenden Diode größer ist als 4 mA.

Ferner ist die Anordnung nicht zur Speisung eines Widerstandsferngebers geeignet; es würden sich vielmehr die bekannten Nachteile der Verfälschung der Messung infolge des Übergangswiderstandes zwischen Schleifer und Wicklung ergeben. Es ist bei dem Meßumformer nach der DAS 18 05918 auch nicht möglich, für irgendeine Temperaturbezugsgröße den Meßstrom Null zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die eben erwähnten Nachteile zu vermeiden.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus dem Gleichstomverstärker und dem Widerstand 3b die aus dem Konstantstrom-Zweipol und dem Widerstand 3a bestehende Reihenschaltung parallel geschähet ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichungen F i g. 1 bis 5 erläutert

F i g. 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung. Aus der Gleichstromquelle wird einem Konstantstrom-Zweipol 1 der Strom /ι und einem Gleichstromverstärker 2 der Strom /2 gemeinsam J\ +/2 über das Meßinstrument 5a oder 5b und die Verbindungsleitungen a und b zugeführt Der Konstantstrom-Zweipol 1 arbeitet als gesteuerte Impedanz in der Weise, daß der ihn durchfließende Strom J\ unabhängig von der Spannung an seinen Klemmen — innerhalb der zulässigen Extremwerte — stets von gleicher Größe ist, und dient zur Speisung des durch die Prozeßgröße veränderbaren Widerstandes 3a. 3a kann z. B. der veränderbare Zweig 12-11 eines Widerstandsferngebers sein. Über 3a baut sich eine Spannung auf von der Größe /1 -R(3a) (gegen 0). Diese Spannung wird über den Widerstand 3b als Steuerspannung an die Eingangsklemme E des Gleichstromverstärkers 2 gelegt. 2 arbeitet als unsymmetrischer Kompensationsverstärker mit direkt gekoppelten Verstärkerstufen, und wirkt ebenfalls als gesteuerte Impedanz, die, unabhängig von der zwischen A und 0 herrschenden Spannung — innerhalb der zulässigen Extremwerte — einen nur von der Spannung ff gegen 0 abhängigen, dieser Spannung [= J₁ ■ (3a)] proportionalen Strom J₂ durchläßt. Über die Instrumente 5a und Sb und die Verbindungsleitungen a und b fließt demnach der Strom /1+/2, der die Summe aus dem konstanten Anteil ]\ und dem der Prozeßgröße bzw. 3a proportionalen Strom /2 ist.

Bei entsprechender Dimensionierunp kann z. B. der Strom Ji zu 4 mA und der Strombereich /2 für den Widerstandsbereich 3a zu 0... 16 mA gewählt werden, so daß der Gesamtstrombereich Ji+J2 4... 2OmA beträgt. Es ergibt sich die bekannte Anzeige mit »lebendem Nullpunkt«.

In vielen Fällen muß jedoch der Strom /2 allein gemessen werden, z.B. wenn er über einen Gleichstromzähler integriert w erden soll.

Das ist mit der prinzipiellen Anordnung nach F i g. 2 möglich. Hierbei wird aus der Gleichstromquelle 4 über einen Konstantstrom-Zweipol 6 ein Strom von gleicher Größe wie der von dem Konstantstrom-Zweipol 1 benötigte Strom }\ über die Verbindungsleitung a in 1 eingespeist. Der Gleichstromverstärker 2 bezieht seinen Strom /2 über die Reihenschaltung: Zenerdiode 8 — Instrument Tb — Gleichstromzähler 7a ebenfalls über die Verbindungsleitung a. Die Summe der beiden Ströme J\-\-Ji fließt über die Verbindungsleitung b zurück in die Stromquelle 4. Die Zenerdiode 8 dient dazu, eine Potentialdifferenz zwischen Pluspol der Stromquelle 4 und dem Punkt y bzw. χ zu erzeugen von solcher Größe, daß das einwandfreie Arbeiten des Konstantstrom-Zweipols 6 stets gewährleistet ist. Der durch den Widerstand a und die Zenerdiode 8 fließende Vorstrom ist meßtechnisch ohne Einfluß.

In dem zwischen den Punkten χ und y eingeschlossenen Zweig mit dem Gleichstromzähler 7a und dem Instrument Tb fließt jetzt nur der dem Widerstand 3a bzw. der Prozeßgröße proportionale Strom /2.

Für Überwachungfaufgaben kann ferner ein weiteres

Instrument zwischen dem Punkt *und der Verbindungsleitung a angeordnet werden Tc, wo der Summenstrom /1-1-/2 auftritt. Es ist klar und bedarf keiner eigenen Darstellung, daß Zenerdiode 8 und Widerstand 9 entfallen können, wenn man den Punkt y mit einer entsprechenden Anzapfung der Stromquelle 4 verbindet.

Ferner ist es möglich, die Ströme in den Konstantstrom-Zweipolen 1 und 6 ungleich groß zu machen. Macht man den Strom von 6 kleiner als den von 1, so erhält man einen Strom /2 in den Instrumenten 7a und Tb schon bei einem Widerstand 3a und 0 Ohm.

Macht man den Strom von 6 größer als den von 1, so erhält man für einen Widerstand 3a von 0 Ohm einen negativen Strom /2 und erst ab einer bestimmten Größe von 3a positive Ströme /2. Anders ausgedrückt kann man den Strom /2 zu 0 machen, auch wenn 3a bereits einen Anfangswert bei der Prozeßgröße 0 hat, oder man kann beliebige Anhebungen und Unterdrückungen von /2 in Abhängigkeit von 3a bzw. der Prozeßgröße vornehmen. Wenn bei unterdrücktem Nullpunkt der auf den Strom /2=0 bezogene Widerstand 3a kleinere Werte annehmen kann, so wird der Strom /2, bezogen auf die Inntrumente 7a und Tb, negativ. Sollen nur positive Ströme /2 von den Instrumenten angezeigt werden, so können die negativen Ströme mittels der Diode Td, die an einer beliebigen Stelle im Strompfad χ—y eingeschaltet werden kann, von den Instrumenten ferngehalten werden.

Ein spezielles meßtechnisches Problem liegt vor in

der Forderung, mittels Widerstand/Strom-Meßumformer eine Beziehung zwischen Widerstand R und Strom /,„ herzustellen von der Form

(U

d. h. der die Meßinstrumente durchfließende Strom /„, soll bei kleinen Werten von R groß und bei großen Werten von R klein sein, und insbesondere soll der Strom /„, beim Widerstand 0 seinen Höchstwert und beim Höchstwert des Widerstandes den Wert 0 annehmen usw., womit er dem steuernden Widerstand umgekehrt proportional ist.

Diese Forderung wird z. B. dann gestellt, wenn die in einen Strom umzusetzende primäre Meßgröße M\ nur über eine Hilfsgröße M2 gemessen werden kann, über die die Einstellung des Widerstandsferngebers vorgenommen wird. Ist die Beziehung zwischen erster und zweiter Meßgröße von der Form

M₂ = M₁

M₁ Ν"
M_lmJ

(2)

wobei η zwischen 0,5 und 1 liegen kann, so ist es durch einfache äußere Beschallung eines normalen, linearen Widerstandsferngebers mit Festwiderständen fast immer möglich, einen sehr genau der Beziehung

folgenden Verlauf des Gesamtwiderstandes dieses Netzwerks zu erzeugen.
Setzt man 2 in 1 ein, so erhält man

^M-

oder gekürzt:

(4)

'" ²ⁿ" ^{2 Λ} (3c_mJ - ^J*"""

(3 c)

Das ist der gleiche Strom wie in (1) gefordert, und die Bedingung der Gleichung (1) ist erfüllt.

Es ist auch möglich, den Strom im Konstantstrom-Zweipol 10 so zu wählen, daß der Strom hmax—h den gewünschten Endwert erreicht bei einem Widerstand 3c größer als 0 Ohm, oder daß hmax—h schon zu 0 wird, bevor der maximale Widerstand 3c erreicht wird, analog dem schon in der Beschreibung zu F i g, 2 Erläuterten. Unter der Berücksichtigung dieser Tatsache ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung möglich, die Temperatur mittels sogenannter Diodenthermometer zu messen und in einen der Temperatur proportionalen Strom umzuformen, wobei beliebige Beziehungen zwischen Anfangstemperatur, Temperaturbereich und Meßstrom /2 hergestellt werden können. Ein solches Diodenthermometer ist als Widerstand 3d in Fig.3 dargestellt.

Bei einem konstanten Flußstrom durch das Diodenthermometer 3d erhält man eine Flußspannung Ur, die nur von der Temperatur abhängig ist, die mit 3c gemessen wird.

Man kann schreiben:

Uf=U₀-Ic-U.

Darin ist U₀ die Flußspannung bei 0⁰C, k die Änderung der Flußspannung pro °C und ft die Temperatur in "C Daraus ergibt sich der Flußwiderstand

30

und man erkennt, daß der Widerstandsverlauf nach (3) der in (I) vorausgesetzte ist.

Die Bedingung (1) wird mit einer Anordnung des Meßumformers nach Fig.3 erfüllt. Aus der Gleichstromquelle 4 wird über den Konstantstrom-Zweipol 10 ein Strom J\+hnm in die parallelgeschaltete Anordnung: Konstantstrom-Zweipol 1 mit in Reihe geschaltetem Widerstandsnetzwerk 3b[Funktion nach Gleichung so (3)], Gleichstromverstärker 2 und die Reihenschaltung 11a, 116, 12 getrieben, a und b sind die Verbindungsleitungen. Der Konstantstrom-Zweipol 1 nimmt stets den Strom /1 auf. Der Gleichstromverstärker 2 nimmt einen Strom/₂ auf von der Größe

Aus dem Verzweigungspunkt ζ fließt in den eo Gleichstromzahler II.7 und das Instrument 11A> und die Zcnerdiode 12 nach dem Minuspol der Stromquelle der Strom /,„:

^Up

U₀-k ■ ϋ

Man erkennt, daß der Widerstand UF—3d mi) steigender Temperatur abnimmt und daß damit die Zusammenhänge zwischen dem Strom J\+hmax im Konstantstrom-Zweipol 10 und dem Strom hmax—h durch das Meßinstrument 116 die gleichen sind wie für den Widerstand 3cbeschrieben.

Sollen nur kleine Temperaturbereiche erfaßt werden so ist es möglich, mehrere Dioden zu einer Kette zusammenzuschalten und gemeinsam in einem entsprechend gestalteten Fühler unterzubringen. Man erhält für eine aus η Dioden bestehende Kette:

R_F = η ■

U₀- k-ϋ Jf

(51

Die Zenerdiode 12 in Verbindung mit dem Widerstand 13 dient dazu, ein Potential w von solcher Größe zu erzeugen, daß das Potential ζ immer positiv genug (gegenüber dem Minuspol der Stromquelle 4 und untei Berücksichtigung des Spannungsabfalls auf der Verbindungsleitung b gegenüber dem Potential 0 arr Meßumformer 1, 2 ist, um das ordnungsgemäße Arbeiten von 1 und 2 sicherzustellen.

Die Zenerdiode 12 und der Widerstand 13 könnet auch entfallen, und statt dessen der Punkt w mit einci Anzapfung an der Stromquelle 4 verbunden werden.

Für die in den Anordnungen nach F i g. 1, F i g. 2 unc F i g. 3 eingesetzten Konstantstrom-Zweipole 1, 6, K und Gleichstromverstärker 2 können an sich bekannt« Anordnungen dieser Art eingesetzt werden. Es hat siel aber gezeigt, daß insbesondere die bekannten Konstant strom-Zweipole den mit den Meßaufgaben gestellter Forderungen nicht genügen.

So wird z. B. gefordert, daß für eine einzig! Ausführung nach Fig. 1 Stromquellen 4 mit Spannun gen zwischen 24 und 80 V, Meßinstrumente zwischen ca

0 Ohm und 2 kOhm und Leitungen zwischen 0 und 500 Ohm pro Ader eingesetzt werden dürfen. Dann kann die Betriebsspannung an den Verbindungspunkten der Verbindungsleitungen a, i>mit dem Meßumformer 1, 2 z. B. Werte zwischen 12 V und 80 V annehmen. Der Speisestrom ]\ und der von der Prozeßgröße abhängige Strom /2 sollen dabei infolge des Einflusses dieser Spannung um weniger als ±0,2% schwanken.

Das ist eine Forderung, die bei Meßumformern Widerstand/Strom, bei denen die Stromquelle 4 direkt beim Meßumformer bzw. beim Geber sitzt, nicht auftritt. Dort sind normalerweise höchstens Unterschiede an der Stromquelle 4 selbst in der Größenordnung ± 10% oder auch ± 20% vom Sollwert zu erwarten.

Die bekannten Konstantstrom-Zweipole, die im wesentlichen aus zwei parallelgeschalteten komplementären Kreisen mit je einem Transistor, einer Zenerdiode und einem Kompensationswiderstand bestehen, vermögen die obigen Forderungen nicht zu erfüllen. Auch ist bei diesen Anordnungen der von der Umgebungstemperatur abhängige Fehler größer als der zulässige. Er soll kleiner sein als 0,1%/10⁰C. Weiter ergibt sich aus der Parallelschaltung der beiden Zweige, daß jeder Zweig und jede Zenerdiode in einem Zweig nur die Hälfte des Gesamtstromes führt. Soll nur ein Strom von 4 mA stabilisiert werden (s. Beschreibung der Fig. 1), so entfallen auf jeden Zweig 2 mA. Bei Zenerdioden nimmt der differentielle Widerstand stark zu, wenn der Strom abnimmt. Für eine typische, für den Zweck geeignete Zenerdiode mit einer Zenerspannung von ca. 5... 6 V ergibt sich z. B. für einen Strom von 2 mA etwa der 2,5fache differentielle Widerstand wie für einen Strom von 4 mA. Der differentielle Widerstand der Zenerdioden ist aber umgekehrt proportional der Güte der Stabilisierung. Ferner ist die Güte der Stabilisierung von der Verstärkung des Regelkreises, in diesem Falle des Transistors, abhängig.

In F i g. 4 ist ein Konstantstrom-Zweipol dargestellt, der wie folgt arbeitet: Aus der Zenerdiode 21, dem Kompensationswiderstand 22 und den Widerständen 23 und 24, deren Größe etwa das Hundertfache des Widerstandes 22 ist, nebst der Diode 26, die zur Temperaturkompensation dient, ist eine Brückenschaltung aufgebaut, in deren Diagonalzweig die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 25 liegt. Transistor 25 steuert den Transistor 27, der stets einen Strom von solcher Größe führt, daß sich an dem Widerstand 22 eine Spannung im Verhältnis zur Zenerspannung an 21 aufbaut, daß die über die Widerstände 23 und 24, 26 geteilte, der Basis des Transistors 25 zugeführte Spannung gerade von der Größe ist, daß 25 den für die Erfüllung der Gleichgewichtsbedingungen erforderlichen Basisstrom an 27 liefert.

Wird z. 3. der Strom im Kollektor-Emitter-Zweig des Transistors 27 zu klein, so wird auch der in den + -Anschluß hinein- und aus dem --Anschluß herausfließende Konstantstrom Jk zu klein. Dann ist auch der Spannungsabfall über dem Widerstand 22 zu gering. Das Teilerverhältnis von 23 und 24, 26 ist konstant, und die Spannung an der Basis von 25 wird positiver gegen den Emitter von 25. Dadurch wird 25 weiter ausgesteuert und führt dem Transistor 27 mehr Basisstrom zu, so daß sich der richtige Strom in 27, 22 und der richtige Strom Jk der Gesamtanordnung wieder einstellt.

Da die Regelanordnung zweistufig ist, wird eine sehr steile Regelcharakterislik und eine hohe Regelgcnauigkeit bzw. ein sehr konstanter Strom Ik erzielt.

Bei sehr großen Änderungen der Speisespannung +, — der Anordnung ergibt sich dennoch eine nicht mehr zulässige Veränderung des Stromes Jk mit der Speisespannung. Diese kann praktisch zu 0 gemacht werden, mittels des Widerstandes 30. Dieser ist direkt mit dem Pluspol + und mit dem Widerstand 22 verbunden, der am Minuspol — der Anordnung liegt. Der mit der Speisespannung variierende Strom über 30 erzeugt einen zusätzlichen, mit der Speisespannung variierenden Strom über 22. Nimmt man an, daß der Gesamtstrom Jk der Anordnung für eine bestimmte Speisespannung gerade richtig ist, so wird bei Erhöhung der Speisespannung etwas mehr Strom über 30 und 22 getrieben. Dann erhöht sich der Spannungsabfall über 22.

Das hat zur Folge, daß 25 weniger weit ausgesteuert wird und weniger Basisstrom an 27 liefert. Dadurch wird aber auch der Strom über 27 und über die Zenerdiode 21 geringer. Die Zenerspannung nimmt etwas ab. Dann wird aber 25 noch weniger weit ausgesteuert, so daß zum Schluß die Anordnung wieder stabil ist, und der Gesamtstrom Jk der gleiche ist wie zuvor.

Die Diode 26 hat die Aufgabe, die im wesentlichen durch die Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode 21

und des Transistors 25 verursachte, Oei einer Änderung der Umgebungstemperatur auftretende Änderung des Stromes Jk weitgehend zu kompensieren. Für die vollständige Kompensation ist an sich eine Diode 26 erforderlich mit einem Temperaturkoeffizienten der Flußspannung bzw. des Flußwiderstandes ganz bestimmter Größe. Diese wird man normalerweise nicht erhalten. Bei der gezeigten Anordnung kann aber durch die Bemessung des Verhältnisses der Widerstände 23 und 24 bzw. des Verhältnisses zwischen Zenerspannung 21 und Kompensationsspannung (über Ä22) der erforderliche Temperaturkoeffizient so festgelegt werden, daß er dem für normale, käufliche Dioden typischen entspricht.
Der Widerstand 29 dient als Zündwiderstand; ohne ihn fließt bei Verwendung von Siliziumtransistoren 25 und 27 kein Strom über die Anordnung, weil 25 und 27 gesperrt sind. Für 29 genügt ein Widerstand, der einige μΑ Strom durchläßt, also in der Größenordnung MOhm. Andererseits wird in dem Transistor 27 das Produkt aus überschüssiger Spannung und Strom Jk in Wärme umgesetzt. Insbesondere wenn größere Ströme fließen (z. B. in 10 in Fi g. 3) bereitet dann die Wärmeabfuhr aus dem Transistor 27 Schwierigkeiten, und es muß auch schon zu Typen mit größerer zulässiger Verlustleistung gegriffen werden. Nach der Erfindung kann der Transistor 27 dadurch von einem großen Teil der Verlustleistung entbunden werden, daß der Widerstand 29 entsprechend kleinere Widerstandswerte hat. An sich ist theoretisch ein Widerstand 29 möglich von der Größe

R —

AU

(darin ist AU die maximal über 27 bzw. 29 auftretende Spannung).

Dann ergibt sich als Verlustleistungsmaximum am Transistor 27:

Das ist nur noch ein Viertel der bei einem großen Widerstand 29 in 27 auftretenden Verlustleistung. Man wird normalerweise nicht so nahe an die Grenze gehen,

sondern durch einen Widerstand entsprechend größer als ^r- , etwa 30% der an sich maximalen Verlustlei-

^JK

stung im Transistor 27 zulassen.

An dem Konstantstrom-Zweipol ist weiter ein Abgriff Uk (F i g. 5) vorgesehen, an dem eine Hilfsspannung mit konstantem Potential gegenüber dem Anschluß ( —) abgegriffen werden kann.

An den Gleichstromverstärker 2 in F i g. 1, F i g. 2 und F i g. 3 werden aus den schon beschriebenen Forderungen heraus ebenfalls Ansprüche gestellt, die mit den herkömmlichen Anordnungen nur unvollkommen zu befriedigen sind. Weiter soll der Verstärker 2 so ausgebildet sein, daß bei einem Windungsbruch des Widerstandsferngebers oder Widerstandes 3a größere Ströme in den Meßinstrumenten als wenige % über dem maximalen, durch die Prozeßgröße bedingten Strom zuverlässig verhindert werden.

in Fig. 5 ist ein Gleichstromverstärker dargestellt, der allen Anforderungen genügt. Um die Zusammenhänge klarer zu zeigen, ist der Konstantstrom-Zweipol nach Fig.4 und der Widerstandsferngeber 3 mit dargestellt Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: Der über die Verbindungsleitung a zugeführte Strom J\ + J₂ verzweigt sich in J₂, der in den Gleichstromverstärker fließt, und J], der in den Konstantstrom-Zweipol fließt. Aus dem Gleichstrom-Zweipol heraus fließt der Strom Jk in den Schleifer 12 des Widerstandsferngebers 3 und baut über 3a eine diesem proportionale Spannung auf. Der Strom Jk ist nicht genau der Strom J], weil über den Ausgang Uk des Konstantstrom-Zweipols der Strom Ji entnommen wird. Dieser ist von der Größenordnung einige Zehntel %o bis einige %o des Stromes Jk bzw. J]. Die Spannung über 3a kann dem Verstärkereingang — Basis des Transistors 33 — nicht direkt zugeführt werden; denn es muß, damit 33 die weiteren Verstärkerstufen steuern kann, zunächst die Emitter-Basis-Schwellspannung von 33 überwunden werden.

Das könnte an sich geschehen durch Einfügen eines Widerstandes zwischen dem Anschluß 11 des Widerstandsferngebers 3 und dem Punkt 0 der Schaltung. Weil aber die Emhter-Basis-Schwellspannung von 33 einen Temperaturkoeffizienten von etwa 2,4 mV/°C hat, würde sich dabei ein unzulässig großer Temperaturgang des Verstärkers ergeben. Die Erzeugung der Schwellspannung bei gleichzeitiger Kompensation des Temperaturgangs geschieht mittels der in Flußrichtung zwischen den Widerstand 42 und den Anschluß 13 des Widerstandsferngebers 3 eingeschalteten Diode 43. Abgesehen von dem Einfluß des Stromes /₄ in die Basis des Transistors 33, der aber nur etwa 1 % des Stromes Jz beträgt, ist der Strom durch die Diode 43 nur bestimmt durch die Größen Uy, und /?(42), also konstant. 42 wird so gewählt, daß die über der Diode 43 abfallende Spannung genau so groß ist wie die Schwellspannung des Transistors 33. Die Verstärkeranordnung 31 bis 41 nimmt dann stets einen solchen Strom J₂ auf, daß der Spannungsabfall über dem Kompensationswiderstand 37 genau gleich der Spannung über dem Widerstand 3a ist. Durch geeignete Bemessung von 37 wird die Größe des Stromes Ji festgelegt. Der Einfluß des Stromes J*, der ebenfalls über 37 abfließt, ist so gering (»ΙΟ-⁵ vom Endwert für /2), daß er unberücksichtigt bleiben kann.

Liegt eine Unterbrechung der Wicklung von 3 oder der Zuleitungen zu 3 vor, so tritt an der Basis von 33 eine hohe Spannung auf, die einen entsprechend hohen Wert der Prozeßgröße vortäuscht. Der Verstärker möchte durch Aufnahme eines entsprechend großen Stromes J₂ diese Spannung kompensieren. Sind genügend große Widerstände der Verbindungsleitungen und der Meßinstrumente vorhanden, so wird auf einen Strom begrenzt, der gleich ist der Speisespannung dividiert durch die Summe aller Verbindungsleitungs- und Instrumentenwiderstände und den Widerstand 37, der unter Umständen in Kauf genommen werden kann. Sind die Widerstände aber klein'und die Betriebsspannung groß, so treten Ströme /2 auf, die ein Vielfaches des maximalen Nennstromes betragen. Dadurch können Meßinstrumente, der Transistor 38 in der Endstufe des Verstärkers und der Widerstand 37 zerstört werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Begrenzung der Überströme dadurch erreicht, daß ein weiterer Transistor 41 vorgesehen ist, der verhindert, daß der Strom durch den Transistor 38, der etwa 99% des gesamten Verstärkerstromes Ji ausmacht, um mehr als einen gewissen Bruchteil größer werden kann als der Soll-Endwert des Stromes /2. In die Emitterleitung des Transistors 38 ist ein Widerstand 39 eingeschaltet, an dem sich eine praktisch dem jeweiligen Strom /2 proportionale Spannung aufbaut. Legt man 39 so aus, daß z. B. beim Soll-Endwert von J₂ 6 V über 39

JO abfallen, und führt diese Spannung dem Transistor 41 über die Zenerdiode 40 zu, so wird, wenn die Zenerdiode etwa eine Durchbruchspannung von 5,5 V hat, der Transistor 41 noch keinen Strom aufnehmen, da die Spannung von 6 V-5,5 V = 0,5 V noch unterhalb seiner

J5 Schwellspannung liegt.

Wird durch einen Defekt von 3 oder der Zuleitungen zu 3 der hohe Meßwert vorgetäuscht, so nimmt 38 sofort einen größeren Strom auf, und die Spannung über 39 nimmt zu. Nimmt sie z. B. um 5%, also auf 6,3 V zu, so liegt an der Basis von 41 eine Spannung von 6,3 V — 5,5 V = 0,8 V. Damit wird 41 so weit ausgesteuert, daß so viel Strom an der Basis von 38 über die Kollektor-Emitter-Strecke von 41 entnommen wird, so daß in die Basis von 38 nur noch so viel Strom gelangt, um die Wirkung von 41 gerade aufrechtzuerhalten. Ob der vorgetäuschte Eingangswert 10% oder 500% größer ist als der Soll-Endwert spielt dabei überhaupt keine Rolle. Es wird sich stets ein maximaler Strom J₂ einstellen, der 5% größer ist als der Soll-Endwert von J₂, und der höchstens wegen des Temperalurgangs der Schwellspannung des Transistors 41 und der Durchbruchspannung der Zenerdiode 40 um einige % nach oben oder unten streut.

Falls eine so enge Begrenzung nicht erforderlich ist, kann auch auf die Zenerdiode 40 verzichtet, und die Basis des Transistors 41 direkt mit dem Emitter des Transistors 38 verbunden werden. 39 muß man dann so auslegen, daß beim Soll-Endwert von J₂ etwa eine Spannung von 0,5 V auftritt. Es wird dann eine Begrenzung auf etwa 50% mehr als den Soll-Endwert von J₂ erreicht, die um etwa ± 20% mit der Temperatur streut.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Widerstand/Strom-Meßumformer, bestehend aus einem die Prozeßgröße überwachenden Widerstandsferngeber oder Widerstand und einem von diesem gesteuerten Gleichstromverstärker sowie einer von der Impedanz des Gleichstromverstärkers abhängigen, die Meßgröße anzeigenden Last, die in die eine Zuleitung von der Stromquelle zum Meßformer eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus dem Gleichstromverstärker (2) und dem Widerstand (3b) die aus dem Konstantstrom-Zweipol (1) und dem Widerstand (3a) bestehende Reihenschaltung parallel geschaltet ist.

2. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Pluspol der Stromquelle (4) und die Verbindungsleitung (a) ein Konstantstrom-Zweipol (6) eingeschaltet ist, der einen Strom von gleicher Größe führt wie der Konstantstrom-Zweipol (1), und daß die Meßinstrumente (7a); (7b) an den Verbindungspunkt fa) zwischen Konstantstrom-Zweipol (6) und Verbindungsleitung (a) einerseits und an die um die Spannung der Zenerdiode (8) gegenüber der positiven Spannung der Stromquelle (4) verminderte Spannung am Verbindungspunkt (y) andererseits angeschlossen sind.

3. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) dem Gleichstromverstärker (2) die aus dem Konstantstrom-Zweipol (1) und dem Widerstand (3c; 3d) bestehende Reihenschaltung parallel geschaltet ist,

b) zwischen den einen Pol der Stromquelle (4) und die Verbindungsleitung (a) ein Konstantstrom-Zweipol (10) eingeschaltet ist, der einen Strom führt gleich der Summe der Ströme in (1) und des maximalen Stromes in (2),

c) die Meßinstrumente (lla), (Wb) an den Verbindungspunkt (z) zwischen dem Konstantstrom-Zweipol (10) und der Verbindungsleitung (a) einerseits und über den Verbindungspunkt (w) über die Zenerdiode (12) an den Minuspol der Stromquelle (4) andererseits angeschlossen sind.

4. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verzweigungspunkt (x) und die Verbindungsleitung (a)e\n weiteres Instrument (7ς) eingeschaltet ist.

5. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strompfad zwischen den Verbindungspunkten (x) und (y)e\ne Diode (74>eingeschaltet ist.

6. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (3c) als Widerstandsnetzwerk ausgebildet ist, dessen Widerstandsverlauf umgekehrt proportional der Prozeßgröße ist.

7. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (3d) der Flußwiderstand einer oder mehrerer in Reihe geschalteter Dioden ist.

8. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Brückenzweigen (21), (22) und (23), (24), (26) eine Brückenschaltung gebildet ist, in deren Diagonal-

zweig die Emitter-Basis-Strecke des Transistors (25) eingeschaltet ist, und daß in Reihe mit der Brückenschaltung die Emiiter-Kollektor-Strecke des Transistors (27) geschaltet ist, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors (25) verbunden ist.

9. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Pluspol ( + ) und den Verbindungspunkt der Brückenglieder (21), (22) ein Widerstand (30) eingeschaltet ist.

10. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient der Brückenglieder (21) plus (25) dem Temperaturkoeffizienten der Diode (26) durch das Verhältnis der Spannungen (21) zu (22) und der Widerstände (23) zu (24) angepaßt wird.

11. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündwiderstand (29) von solcher Größe ist, daß er bei maximaler Spannungsdifferenz zwischen den Potentialen ( + ) und (+Uk) mehr als halb soviel Strom führt wie der Emitter des Transistors (27).

12. Konstantstrom-Zweipol nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der über (21) und (22) abfallenden Spannungen an einen Anschluß (+ Uk) geführt wird.

13. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des ersten Transistors (33) des jleichstromverstärkers mit der in Flußrichtung vorgespannten Diode (43) und dem den Flußstrom leitenden Widerstand (42) verbunden ist und daß die Diode (43) mit ihrem anderen Pol mit den Widerständen (3a) oder (3c) oder (3d) verbunden ist.

14. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (42) mit dem Punkt (+ Uk) verbunden ist.

15. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung zum Emitter des Transistors (38) ein Widerstand (39) angeordnet ist, und daß der Transistor (41) mit seiner Basis an den Emitter von (38), mit seinem Kollektor an die Basis von (38) und mit seinem Emitter an den mit dem Emitter von (38) nicht verbundenen Anschluß des Widerstandes (39) verbunden ist.

16. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors (41) über die Zenerdiode (40) hergestellt wird.

17. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aller Ströme des Gleichstromverstärkers (2) über den Kompensationswiderstand (37) geführt wird.