DE2221371A1

DE2221371A1 - Einrichtung zur drahtlosen uebertragung eines messwerts von einem messwertgeber in eine auswerteschaltung mit hilfe induktiv gekoppelter schwingkreise

Info

Publication number: DE2221371A1
Application number: DE19722221371
Authority: DE
Inventors: Heinz Nickel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-05-02
Filing date: 1972-05-02
Publication date: 1973-11-15
Also published as: DE2221371B2; FR2183478A5; IT984164B

Description

. Unser Zeichen:

Einrichtung zur drahtlosen Übertragung eines Meßwerts von einem Meßwertgeber in eine Auswerteschaltung mit Hilfe induktiv gedoppelter Schwingkreise

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur drahtlosen Übertragung eines Meßwerts von einem Meßwertgeber in eine Auswerteschaltung mit Hilfe induktiv gekoppelter Schwingkreise.

Eine in der Meßtechnik häufig gestellte Aufgabe ist die, eine in einem Meßwertgeber erzeugte, eine physikalische . Eigenschaft eines Meßmediums abbildende elektrische Größe drahtlos in eine Auswerteschaltung zu übertragen. Es sind Einrichtungen bekanntgeworden bei denen im Meßwertgeber neben dem eigentlichen Meßfühler noch eine Sendeeinriohtung angeordnet ist* deren abgestrahlte HF-Energie die Meßinformatiön enthält<, Die zum Betrieb der Sendeeinrichtung bzw. ihrer aktiven Elemente,..rwie Transistoren etc., notwendige Energie muß von einem in-der Auswerteschaltung angeordneten Sender ebenfalls drahtlos in den Meßwertgeber übertragen werden. Derartige Meßschaltungen sind relativ aufwendig in ihrem Aufbau. Enthält die Sendeeinrichtung im Meßwertgeber eine Reihe von insbesondere aktiven Halbleiterelementen, wie es bei dem räumlich sehr beschränkten Aufbau erforderlich ist, so sind derartige Schaltungen aufgrund des starken Temperaturgangs der Halbleiterelemente entweder nur in einem begrenzten Temperaturbereich einsetzbar oder es müssen aufwendige weitere. Maßnahmen zur Kompensation des Temperatureinflusses getroffen werden.

Es ist auch eine Einrichtung -zur Übertragung von Temperaturmθß^>?®rten aus einem beweglichen Maschinenteil bekannt^

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"bei der in dem "beweglichen Maschinenteil eine Wechselstrommeßbrüoke angeordnet ist, an deren Eingang und Ausgang jeweils eine Induktionsspule liegt. Den Spulen stehen im feststehenden Teil entsprechende Induktionsspulen gegenüber. Die Spule, die dem Eingang der Wechselstrombrücke gegenüberliegt, wird mit Wechselspannung oder Hochfrequenz erregt. Die in der feststehenden, der Ausgangsspule der Brücke gegenüberliegenden Spule auftretende Spannung hängt von der Brückenverstimmung ab, die wiederum eine Punktion eines in der Brücke angeordneten temperaturabhängigen Widerstands ist. Diese Meßanordnung zeichnet sich zwar durch einen relativ einfachen Aufbau aus, sie ist jedoch nur dann einsetzbar, wenn das Meßsignal in der geschilderten Weise zu gewinnen ist. Hat der eigentliche Meßfühler einen sehr hohen Innenwiderstand und gibt demgemäß nur ein sehr kleines Meßsignal ab, wie es beispielsweise bei elektrometrischen Messungen zur Bestimmung des pH-Wertes oder des Redor-Potentials der Pail ist, müssen andere Wege gesucht werden, das Meßsignal oder den Meßwert mit größtmöglicher Genauigkeit zu übertragen, wobei der Schaltungsaufwand im eigentlichen Meßwertgeber sowohl den räumlichen wie auch den technologischen Erfordernissen entsprechend möglichst klein zu halten ist. Die "Verwendung von aktiven Halbleiterelementen im Meßwertgeber soll möglichst vermieden werden.

Den genannten Erfordernissen kommt eine Einrichtung zur drahtlosen Übertragung eines Meßwerts von einem Meßwertgeber in eine Auswerteschaltung mit Hilfe induktiv gekoppelter Schwingkreise nach, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Meßwertgeber ein eine elektrische Meßspannung erzeugender Meßfühler und ein Schwingkreis angeordnet sind, der ein von der Meßspannung gesteuertes frequenzbestimmendes Element enthält, und daß in der Auswerteschaltung ein Hochfrequenzoszillator angeordnet ist, dessen mit dem auf gleiche Frequenz abgestimmten Sohwing-

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kreis im Meßwertgeber induktiv gekoppelter Schwingkreis einen Phasendiskriminator speist', dessen Ausgängsgröße der von der meßwertabhängigen Verstimmung durch den Schwingkreis im Meßwertgeber bedingten Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung entspricht.

Als frequenzbestimmende Elemente können vorzugsweise spannung sabhängige Kapazitätsdioden verwendet werden, welche auch in extrem hochohmigen Ausführungen erhältlich und damit zum Anschluß an Meßfühler mit sehr hohem Innenwiderstand geeignet sind. Bei derartigen spannungsabhängigen Kapazitäten ist der Zusammenhang zwischen Kapazität und steuernder Spannung jedoch nicht linear, so daß bei Schwankungen der als Meßsignal vorliegenden Spannung über einen größeren Bereich eine proportionale Übertragung des Meßwerts in die Auswerteschaltung mit der erforderlichen Genauigkeit nicht ermöglicht werden kann. Bei sehr kleinen Spannungsänderungen an. der Kapazitätsdiode kann ihre Übertragungscharakteristik jedoch als linear angesehen werden. Im vorliegenden lall kann dies mit Hilfe eines Proportionalregelkreises mit Spannungsrückführung erreicht werden.

Demgemäß ist eine Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die AusgangagrÖße des Phasendiskritainators einem von einem !Erägerfreqüenzgenerator gespeisten Modulator zugeführt ist, und daß die modulierte Wechselspannung induktiv in den Meßwertgeber ©ingekoppeltp dost demoduliert und kompensierend der Meßspannung gegengeschaltet ist, derart, daß «die {-resultierende-kleine Differenzspannung das frequenz!}©stimmend© Element ö©s Schwingkreises steuert und daS die moduliert© Wechselspannung ausgleich einer zweiten Demodulatorschaltung im■Ausgangskreis der Auswerteschaltung zugeführt ist %ητ Gewinnung einer der Kompensationsspannung entaprechenden and damit der MeBspannung proportionalen Ausgangsgröße. ·

Damit ist es möglich, such bei Änderungen des vom Meßfühler erzeugten Meßsignals über einen größeren Spannungsbereicb ein diesem proportionales Ausgangssignal in der Auswerteschaltung zu gewinnen.

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Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Figur 1 zeigt die Prinzipschaltung gemäß Anspruch 1. Figur 2 zeigt die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 mit dem Proportionalregelkreis mit Spannungsrückführung. Figur 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit Weiterbildungen der Schaltungsanordnung zur Erhöhung der tibertragungsgenauigkeit.

Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Kompensation des Temperaturfehlers von Kapazitätsdioden, wie sie in der Einrichtung verwendet werden.

Figur 1: Die Meßeinrichtung besteht im wesentlichen aus dem Meßwertgeber 1 und der Auswertesehaltung 2, die räumlich und galvanisch voneinander getrennt sind. Der Meßwertgeber 1 enthält einen Meßfühler 3» welcher die zu messende physikalische Eigenschaft des Meßmediums in eine elektrische Spannung, die Meßspannung U_M, umformt. Im Meßwertgeber 1 ist weiter ein Schwingkreis 4 angeordnet, der aus einer Induktionsspule 5 und einer veränderlichen Kapazität als frequenzbestimmendes Element 6 besteht. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises ändert sich in Abhängigkeit von der das Element 6 steuernden Meßspannung IL».

In der Auswerteschaitung 2 ist ein weiterer Schwingkreis 7 angeordnet, dessen Induktionsspule 8 induktiv mit der Induktionsspule 5 des Schwingkreises 4 im Meßwertgeber 1 gekoppelt ist. Der Schwingkreis 7 bildet mit dem Hochfrequenzgenerator 9 eine Oszillatorschaltung, deren Frequenz in dem Frequenzbereich des Schwingkreises 4 liegt. Über ein Koppelglied 10 wird ein Phasendiskriminator 11 strom- und spannungsmäßig gespeist. Befinden sich die induktiv gekoppelten Schwingkreise 4 und 7 in Resonanz, so tritt keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Schwingkreis 7 auf, demgemäß ist die Ausgangsgröße des Phasendiskriminators 11 gleich Null. Ändert sich jedoch die Eigenfrequenz des

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Schwingkreises 4 im Meßwertgeber 1 infolge einer meßwertabhängigen Verstimmung ihrer Kapazität, so tritt rückwirkend eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen Strom i und Spannung uim Schwingkreis 7 auf, die Ausgangsgröße des Phasendiskriminators 11 ist'dieser Verstimmung und damit dem Meßwert proportional.

Da die zur Zeit erhältlichen Kapazitätsdioden eine nichtlineare Kapazitätsspannungskennlinie aufweisen, ist bei ihrer Verwendung als frequenzbestimmendes Element im Schwingkreis 4 der Arbeitspunkt auf einen Kennlihienahschnitt mit verhältnismäßig geringer Krümmung zu legen,, weiter ist es erforderlich, daß die Meßspannung U« sich nur um geringe Beträge ändert, da sonst entsprechende Maßnahmen in der Auswerteschaltung 2, beispielsweise eine nichtlineare Skalenteilung des Anzeigeinstruments 12, vorge^: sehen werden müssen.

Wird für die Weiterverarbeitung von Meßsignalen bei der Prozeßautomatisierung eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignals einer Auswerteschaltung von dem eigentlichen Meßsignal verlangt, so ist die oben beschriebene Schaltungsanordnung um einen Proportionalregelkreis mit Spannung srückf uhr ung zu erweitern. Damit ist es möglich, die Spannungsänderungen an der Kapazitätsdiode sehr klein zu halten, so daß eine lineare Abhängigkeit der Frequenz des Schwingkreises 4 im Meßwertgeber 1 von der Meßspannung .U« gewährleistet wird.

In Figur 2 ist eine derartige Schaltungsanordnung dargestellt. Die bereits aus Figur 1 bekannten Teile der Schaltungsanordnung sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausgangsspannung IJ^ als Ausgangsgröße des PhasendiskriminatorB 11 dient zur Amplitudenmodulation einer im Trägerfrequenzgenerator 14 erzeugten Wechselspannung im Modulator 13. Die modulierte Wechselspannung aus dem Modulator 13 wird einer Induktionsspule 15 zugeführt, die mit der Induktionsspule 16 im Meßwertgeber 1 induktiv gekop-

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pelt ist. Die in der Induktionsspule 16 induzierte modulierte Wechselspannung wird in dem Demodulator 17 gleichgerichtet und damit eine der Ausgangsspannung XL· entsprechende Spannung gewonnen, welche als Rüekführspannung U^ der Meßspannung ü_M kompensierend gegengeschaltet ist. Die als ständige Regelabweichung verbleibende kleine Differenzspannung Ü_H - U_R in der Größenordnung von 1 mV steuert die Kapazitätsdiode 26 im Schwingkreis 4. Eine lineare Abhängigkeit der Kapazität von der Spannung ist in einem derartig kleinen Bereich gegeben.

Zur Gewinnung eines der Meßspannung U_M entsprechenden Ausgangssignals ist die Induktionsspule 15 mit einer weiteren Induktionsspule 18 in der Auswerteschaltung 2 gekoppelt. Die induktiv übertragene modulierte Wechselspannung aus dem Modulator 13 wird in einer weiteren Demodulatorschaltung 19 im Ausgangskreis der Auswerteschaltung 2 gleichgerichtet und ein der Rückführspannung U_R entsprechendes und damit der Meßspannung U„ proportionales Signal gewonnen.

Bei der Ausführung einer Schaltung nach Figur 2 treten in der Praxis jedoch noch weitere Störeinflüsse auf, die aus Ungenauigkeiten der Koppelgeometrie der Induktionsspulen 15» 16, 18 bzw. Unterschieden in den Eigenschaften der in der Schaltung verwendeten Halbleiterdioden herzuleiten sind. Um der Forderung nach Gleichheit der Ausgangsspannung der Auswerteschaltung 2 und der Rückführspannung U_R zu entsprechen, eind in einer Weiterbildung der Schaltung nach Figur 2 weitere Maßnahmen ergriffen worden, die in dem in Figur 3 angegebenen Schaltungsbeispiel gezeigt sind. Die Ausgangsspannung U_n des Phasendiskriminators 11 ist hier nicht direkt dem Modulator 13 zugeführt, sondern einem Wandler 20, dessen Ausgangsgröße eine Impulsfolge konstanter Frequenz und Amplitude ist, deren Tastverhältnis t1/t2 der Eingangsgröße des Wandlers 20, also der Spannung U._t proportional ist. ti ist dabei die Impulslänge, t2 die Pausenläng© bis zum Auftreten des nächsten

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Impulses. In dem Impulsgenerator 21 wird dazu eine Reehteokimpülsfolge konstanter !Frequenz und Amplitude erzeugt und dem Wandler 20 zugeführt. Mit· den am Ausgang des Wandlers 20 auftretenden Reohteclcimpulsen wird im Modulator 13 die aus dem Trägerfrequenzganerator I4 stainmende Wechselspannung moduliert und der Induktionsspule 15 zugeführt, die die modulierte Wechselspannung sowohl auf die im Meßwertgeher 1 befindliche Induktionsspule 16 wie auch auf. die Induktionsspule 18 in der Auswerteschaltung 2 überträgt. Nach der Gleichrichtung in dem Demodulator 17 im Meßwertgeber 1 wird die an seinem Ausgang auftretende Rechteekimpulsfolge einem Spannungebegrenzer 22 in Form einer Zenerdiode zugeführt, welche dafür sorgt, daß die Rechteckiropulse auf gleiche Höhe beschnitten werden,. In einem darauffolgenden RC-Glied 23 wird der arithmetische Mittelwert der Impulsfolge gebildet und dieser arithmetische Mittelwert als Rückführspannung TJ_R der Meßspannung TJ_M entgegengeschaltet.

Als Meßfühler 3 ist hier eine Elektrodenmeßkette zur pH-Wertmessung dargestellt, bei der die Meßeinrichtung nach der Erfindung bevorzugt angewendet wird.„Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und da der Innenwiderstand der pH-Meßelektroden sehr hoch ist, wird entsprechend als frequenzbestimmendes Element des Schwingkreises 4 im Meßwertgeber 1 ein sehr hochohmiges Kapazitätsdiodenpaar 26, 26' verwendet.

Auf den weiteren Demodulator 19 im Ausgangskreis der Auswerteschaltung 2 folgt ebenfalls ein gleichartiger Spannungsbegrenzer 22 in Form einer Zenerdiode. In einem Regelverstärker 24 wird die Impulsfolge verstärkt und arithmetisch gemittelt, so daß am Ausgang 25 der Auswerteschaltung 2 eine der Rückführspannung IJt, entsprechende und damit der Meßspannung Ü_M proportionale Größe auftritt.

Um Einstreuungen zu vermeiden, liegen bei den angegebenen Schaltungsbeispielen die im Hochfrequenzgenerator 9 er-

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zeugte Oszillatorfrequenz, die im Trägerfrequenzgenerator 14 erzeugte Trägerfrequenz und die Frequenz der im Impulsgenerator 21 erzeugten Impulsfolge jeweils um mindestens eine Größenordnung auseinander;.die Oszillatorfrequenz liegt beispielsweise im MHz-Bereich, die Trägerfrequenz im kHz-Bereich und die Frequenz der Impulsfolge im Bereich von 100 Hz.

Übliche Halbleiterkapazitätsdioden weisen einen.stark positiven Temperaturkoeffizienten auf, wodurch nicht von der Meßspannung U„ verursachte Änderungen der Frequenz des Schwingkreises auftreten können. Der Temperaturkoeffizient der Kapazitätsdioden ist überdies stark spannungsabhängig. Um die· von der Temperaturabhängigkeit der Kapazitätsdioden herrührenden Störeinflüsse zu beseitigen oder zumindest stark zu mindern, ist, wie in Figur 4 dargestellt, vorgesehen, dem gegensinnig geschalteten Kapazitätsdiodenpaar kö, 26' einen Kompensationskondensator 27 parallelzuschalten, der einen entsprechenden negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Um einen genauen Abgleich zu erzielen, d. h. den Temperaturkoeffizienten der Kapazitätsdioden über seine Spannungsabhängigkeit derart einzustellen, daß eine Kompensation der Temperaturkoeffizienten der Kapazitäten auf Null durchführbar ist, kann die Induktivität der Induktionsspule 5 verstellt werden. Die dadurch erzwungene Verstimmung des Schwingkreises 4 erzeugt über den Regelkreis eine Arbeitspunktverschiebung der Kapazitätsdioden derart, daß der der Spannung im neuen Arbeitspunkt entsprechende Temperaturkoeffizient dem des Kompensationskondensators 27 mit umgekehrten Vorzeichen entspricht.

Unter Zuhilfenahme der neuzeitlichen integrierten Schaltungstechnik ist es so möglich, die elektronische Schaltung im Meßwertgeber derart zu verkleinern, daß sie beispielsweise in dem oberen Teil des Glaskörpers einer Einstab-Meßelektrode für pH-Wertmessung untergebracht und

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dort hermetisch eingeschmolzen werden kann. Die Elemente der Auswerteschaltung 2" lassen sich entsprechend in der Fassung für die Einstab-Meßelektrode "unterbringen. Das bisher mit großen Schwierigkeiten verbundene und nur von geschultem Personal ausführbare Reinigen oder Auswechseln der Meßelektroden läßt sioh auf diese Weise stark vereinfachen. Es ist auch möglich, eine derartige Einstab-Meß- * elektrode als Einweg-Element zu benutzen, d. h« nach einer gewissen Betriebszeit durch· eine neue zu ersetzen, da die elektronische Schaltung im Innern eines solchen Meßwertgebers wenig aufwendig ist. ■

7 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

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Pa tentansprüohe

π ,![Einrichtung zur drahtlosen Übertragung eines Meßwerts von einem Meßwertgeber in eine Auswerteschaltung mit Hilfe induktiv gekoppelter Schwingkreise, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßwertgeber (1) ein eine elektrische Meßspannung (U_M) erzeugender Meßfühler (3) und ein Schwingkreis (4) angeordnet sind, der ein von der Meßspannung (U„) gesteuertes frequenzbestimmendes Element (6) enthält,

und daß in der Auswerteschaltung (2) ein Hochfrequenzoszillator angeordnet ist, dessen mit dem auf gleiche Frequenz abgestimmten Schwingkreis (4) im Meßwertgeber (1)'induktiv gekoppelter Schwingkreis (7) einen Phasendiskriminator (11) speist, dessen Ausgangsgröße (TJ^) der von der meßwertabhängigen Verstimmung durch den Schwingkreis (4) im Meßwertgeber (1) bedingten Phasenverschiebung zwischen Strom (i) unct Spannung (u) entspricht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße (U_A) des Phasendiskriminators (11) einen von einem Trägerfrequenzgenerator (14) gespeisten Modulator (13) zugeführt ist, und daß die modulierte Wechselspannung induktiv in den Meßwertgeber (1) eingekoppelt, dort demoduliert und kompensierend der Meßspannung (U_M) gegengeschaltet ist, derart, daß die resultierende kleine Differenzspannung das frequenzbestimmende Element (6) des Schwingkreises (4) steuert,

und daß die modulierte Wechselspannung zugleich im Ausgangskreis der Auswerteschaltung (2) demoduliert ist zur Gewinnung einer der Rückführspannung (U_R) entsprechenden und damit der Meßspannung (Ujj) proportionalen Ausgangsgröße.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Phasendiskriminator (11) und Modulator (13) ein Wandler (20) eingeschaltet ist* an dessen Ausgang eine Impulsfolge konstanter Frequenz und Amplitude auftritt, deren Tastverhältnis (t1/tz) dem Eingangssignal und damit dem Meßwert proportional ist, und daß die in den Meßwertgeber (1) übertragene Impulsfolge dort einer Schaltung (23) zur Bildung des arithmetischen Mittelwerts zugeführt 1st, deren Ausgangsgröße als Rückführspannung (U_R) der Meiäspannung (U_M) kompensierend gegengeschalet ißt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß. die Ausgangsspannungen der Demodulatoren (17 und 19) im Regelkreis des Meßwertgebers (1) und im Ausgangßkreis der Auswertesohaltung (2) auf gleiche Weise und Höhe begrenzt sind»
5. Einrichtung nach. Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (7) der Auswerteschaltung (2) zur Trägerfrequenz des Modulators (13) und diese zur"Impulsfrequenz des Wandlers (20) jeweils mindestens im Verhältnis 10 s 1 stehen. ,
6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet_s daß als frequenzbestimmendes Element (6) im Schwingkreis (4) des Meßwertgebers (1) Kapazitätsdioden (2δ₉ 26^s) vorgesehen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den einen stark positiven, spannungsabhängigen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Kapazitätsdioden (26, 26') ein Kompensationskondensator. (27) parallelgeschaltet ist, dessen Temperaturkoeffizient etwa dem der Kapazitätsdioden mit umgekehrten Vorzeichen entspricht,

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und daß die Spannungsabhängigkeit des Temperaturkoeffizienten der Kapazitätsdioden (26, 26') durch Änderung der Induktivität der Induktionsspule (5) des Schwingkreises (4) kompensierbar ist.

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