DE2420377C2

DE2420377C2 - Elektrischer Meßumformer nach dem Zwei-Draht-Verfahren

Info

Publication number: DE2420377C2
Application number: DE2420377A
Authority: DE
Inventors: Leonardo V. Minneapolis Minn. Serrano
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1973-04-30
Filing date: 1974-04-26
Publication date: 1986-05-15
Also published as: IL44676A0; DE2420377A1; JPS5015569A; JPS5932840B2; BR7403504D0; FR2227583B1; JPS5931119B2; FR2227583A1; CA1017012A; JPS58149595A; US3854039A; IL44676A; GB1454650A; AU6807574A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Meßumformer nach dem Zwei-Draht-Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I. In Strömungsmeßumformern sind Kreise bekannt, die ein Signal abgeben, das der

Quadratwurzel eines Eingangsparameters proportional ist. Ein derartiger Kreis ist in der US-PS 34 96 346 beschrieben. Der dortige Kreis erhält ein lineares Eingangssignal und erzeugt ein Ausgangssignal, das sich mit der Quadratwurzel eines Eingangssignals ändert. Der komplizierte Aufbau und die Leistungsforderungen dieser Kreise begrenzen jedoch die Stabilität dieser Kreise bei einer Verwendung mit Strom umformern und insbesondere ihre Verwendung mit Umformern nach dem Zwei-Draht-Verfahren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Meßumformer nach dem Zwei-Draht-Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem die Quadratwurzel des Eingangssignals mit einfachen Mitteln und geringem Stromverbrauch erzeugt werden kann, ohne daß die Stabilität leidet.

Diese Aufjrsbe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Durch die Erfindung wird ein elektrischer Kreis geschaffen, der einen Eingang hat, der ein Ausgangssignal so steuert, daß es sich mit der Quadratwurzel des Eingangssignals des Kreises ändert. Das Ausgangssignal wird abgetastet und quadriert und dann mit dem Eingangssignal verglichen. Eine Ausgangssignalsteuereinriditung spricht auf ein Steuersignal an, das durch diesen Vergleich erzeugt wird, um das Ausgangssignal zu ändern und jede Differenz zwischen dem quadrierten Signal und dem Eingangssignal auf Null zu verringern. Auf diese Weise erzeugt das Ausgangssignal die Quadratwurzel der Eingangssignaländerung. Der Kreis arbeitet bei ausreichend geringer Leistung, um das Quadratwurzelziehen in einem 4-20-mA-Bereich-Zwei-Draht-Meßumformer durchzuführen.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die erfindungsgemäß vorgesehenen Merkmale gemäß dem Patentanspruch 1 kombinatorisch zusammenwirken und es dadurch möglich ist, mit geringem Betriebsstrom eine Radizierung bereits im Meßumformer selbst durchzuführen, wobei dennoch das Zwei-Draht-Verfahren Veiv- indung finden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Schalter vorgesehen, der eine Schaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignales zuschaltet, das bezüglich des Eingangssignals bei niedrigeren Signalpegeln linear ist, um bei sehr kleinen Eingangssignalen eine verbesserte Stabilität zu schaffen.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß das Ausgangssignal ein Stromsigna! ist und der Meßumformer vom Zwei-Draht-Typ ist, wobei eine Gleichspannungsquelle und eine Last mit den beiden Drähten verbunden ist, um Energie zuzuführen und das Ausgangssignal zu empfangen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Blockschaltbild, aus dem die Elemente des Zwei-Draht-Meßumformerkreises hervorgehen,

Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Kreises, und Fig. 3 einen geeigneten Wandlerkreis, der zusammen mit den Kreisen der Fig. 1 und 2 verwendet wird.

Bezug nehmend auf die Fig. 1 und 2 hat ein Wandler 10 eine Vorrichtung, die ein Ausgangssignal an dem Anschlußll erzeugt, das eine Funktion eines veränderbaren Zustandes ist, der gemessen wird. Wie gezeigt, wird der Wandler nur über die Eingangsanschlüsse 12 und 13 zum Betrieb in einem Zwei-Draht-Meßumformer mit Energie versorgt, obwohl der Wandler im allgemeinen von einer anderen, nicht gezeigten Quelle zusätzlich Energie erhalten könnte. In F i g. 1 ist bei 30 ein Differentsaleingang-Vergleichsverstärker und bei SO ein Quadraturkreis angegeben, die beide über die Leitung 14 mit Energie versorgt werden, wobei die Energierückleitung über die Leitung 15 erfolgt. Eine Zenerdiode 16 ist zwischen die Leitungen 14 und 15 geschaltet, um die Spannung zwischen diesen Leitungen auf einen konstanten Wert zu stabilisieren. Der Verstärker 30 vergleicht das Ausgangssignal des Wandlers 10 an dem Anschluß 11, der mit dem einen Eingang des Verstärkers verbunden ist, mit einem Ausgangssignal des Quadraturkreises 50, das -jber eine Leitung 17 zu dem anderen Eingangsanschluß des Verstärkers 30 geleitet wird. Der Verstärker 30 gibt über eine Leitung 18 ein Ausgangssignal auf die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors (FET) 19. Die Source-Elektrode des FETs 19 ist mit der Leitung 15 und die Drain-Elektrode mit der Basis eines Transistors 21 verbunden. Der Kollektor des Transistors 21 ist mit der Leitung 15 und sein Emitter mit einem Energierückleitungsanschluß 22 verbunden. Die Transistoren 19 und 21 bilden einen Stromsteuerverstäncer 20, der so geschaltet ist, daß der Gesamtstrom I₇-, der von einem Stromanschluß 23 fließt, in Abhängigkeit von dem Verstärkerausgangssignal auf der Leitung 18 gesteuert wird. Ein Rückkopplungswiderstand 24 ist zwischen den Stromanschluß 23 und die Leitung 14 geschaltet und führt den größten Teil des Stroms /_r, der zwischen den Anschlüssen 23 und 22 fließt. Der Reststrom fließt durch die Reihenschaltung der Widerstände IS und 26, die zwischen den Anschluß 23 und die Leitung 15 geschaltet ist. Der Verbindungspunkt 27 zwischen den Widerständen 25 und 26 ist durch die Leitung 28 mit dem Eingang des Quadraturkreises 5ü verbunden. Der Quadraturkreis 50 wird über die Leitungen 14 und 15 gespeist.

Eine typische Anwendung des Kreises der Fig. 1 ist eine Strn.T-ungsmittelmessung, bei der der Wandler 10 eine Diiferentialdruckvorrichtung ist, die ein Spannungssignal V_P am Anschluß 11 liefert, das einen Pegel hat, der bezüglich einer Spannung gemessen ist, die in dßr Mitte der Spannungen ^wischen den Leitungen 14 und 15 liegt. V₁, hat die charakteristische Form V_F = k\ Δ P, wobei Δ /'ein Differentialdruck über einer Öffnung ist, der sich mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung ändert, und k\ eine Konstante ist. Eine externe Gleichspannungsquelle und ein Anzeigeinstrument wie ein Aufzeichnungsgerät (nicht gezeigt) sind über die Anschlüsse 22 und 23 geschaltet.

Ein typischer Wandler hat einen Bereich des Stroms I₇- von 4 bis 20 niA. Die Widerstände 24,25 und 26 sind so gewählt, daß die Spannung V₁ an dem Verbindungspunkt 27 zu dem Strom /_rdurch den Ausdruck V_x = k? (/.--4) in Beziehung steht, wobei k₂ eine Konstante ist. Die Spannung V₁ wird in dem Kreis 50 quadriert (mit ihrem eigenen Wert multipliziert). Die Ausgangsspannung auf der Leitung 17 wird als V₀ bezeichnet, wobei K₀ = k_A(I_T-4)² und A.\| eine Konstante ist. Der Verstärker 30 spricht auf eine Spannung zwischen dem Anschluß 11 und der Leitung 17 an, die mit den Verstürkereingangsanschlüssen verbunden sind, um den Strom durch den Strom-Steuerverstärker 20 zu ändern, so daß die Spannungsdifferenz an den Verstärkereingängen (Anschluß 11 und Leitung 17) auf Null verringert wird. Wenn V₀ = V_P, erhält man durch Kombination A., (Z₇- -4)³ = £, Δ P; diese Gleichung kann geschrieben werden als

Durch richtige Bemessung der Konstanten k_t und Ar₄ in bekannter Weise durch Wahl der Kreiskomponenten kann der Strom l_T so bemessen werden, daß er sich zwischen 4 und 20 mA als lineare Funktion des Stroms ändert, der von dem Wandler in dem interessierenden Strömungsbereich erfaßt wird. Der Strom I₁ ändert sich

mit der Quadratwurzel von Δ P, der, wie erläutert wurde, der Strömung durch eine Öffnung proportional ist.

Ein detaillierter Kreis ist in Fig. 2 gezeigt, die einen Kreis zeigt, der zur Erzeugung eine 4-20-mA-Strom-

signals in Abhängigkeit von einem maximalen Wandlerausgangssignal von etwa 400 mV geeignet ist. Andere Bereiche können durch geeignete Bemessung erfaßt werden. Der Kreis der Fig. 2 zeigt im einzelnen einen Quadraturkreis, der insbesondere für diesen Anwendungsfall geeignet ist, wobei die untere Stromgrenze von 4 mA die Verwendung von Elementen mit geringem Leistungsverbrauch erfordert. Dieser Kreis hat auch die Möglichkeit der Umschaltung und schaltet das Ausgangssignal von einer Quadratwurzelbeziehung zu dem Eingangssignal auf ein lineares Ausgangssignal in Beziehung zu dem Eingangssignal unter einem vorbestimmten niedrigen Eingangssignalwert bis zu dem Wert Null um. Die Umschaltmöglichkeit ist erwünscht, da die Geschwindigkeitsänderung der Quadratwurzelfunktion bei dem Wandlerwert Null theoretisch unendlich und nicht mehr erfaßbar wäre. Bei niedrigeren Werten ist das lineare Ausgangssignal für den normalen Betrieb ausreichend genau.
> ΐ£. *. zeig« uSn giCiCuCri **ίΐΓϊυιθΓ iv ΓΠ!ι »crsGrguMgSaiiSCiiiUSscii ■* unu *«/ unu ciricrn /~iuSgangs5ignaianschluß 11 wie in F ig. 1. Bei dem Kreis der F ig. 2 sind zwei Hauptstromversorgungsleitungen gezeigt, nämlich eine Leitung 31, die mit der positiven Seite einer Zener-Bezugsdiode 32 verbunden ist, und eine Leitung33, die mit der positiven Seite einer Zener-Bezugsdiode 34 verbunden ist. Ein Widerstand 35 ist zwischen den Leitungen 31 und 33 geschaltet, so daß im wesentlichen ein konstanter Strom durch die Diode 34 fließt und ein genauer Spannungspegcl auf der Leitung 33 erzeugt wird. Die Leitung 31 ist mit dem Anschluß 12 und die Leitung 36 mit dem Anschluß 13 verbunden. Die negativen Seiten der Dioden 32 und 34 sind ebenfalls mit der Leitung 36 verbunden. Ein Vergleichsverstärker 38 mit Differentialeingang und ein Stromsteuerverstärker 90 sind vorhanden, die, wie gezeigt wird, in der Funktion gleich den Verstärkern 30 bzw. 20 der F i g. 1 sind. Ein Verstärker 38 vergleicht das Wandlerausgangssignal auf der Leitung 39 mit ein,v.Ti Ausgangssignal auf der Leitung 41 eines Rechenkreises 40, und der Ausgang des Verstärkers 38 gibt ein Steuersignal an den Verstärker 90 ab, um den Gesamtstrom l_T gesteuert durch den Verstärker 38 zu ändern. Widerstände 42 und 43 und ein Kondensator 44, die in der gezeigten Weise mit den Eingängen des Verstärkers 38 verbunden sind, sind Bauelemente zur Unterdrückung von Störungssignalen.

Der Verstärker 38 wird von Stromzuführungseingängen gespeist, die zwischen die Leitungen 31 und 36 geschaltet sind, und sein Ausgang ist über einen Widerstand 45 mit der Basis eines Transistors 47 verbunden, der als erste Stufe eines Stromreglers wirkt. Der Kollektor des Transistors 47 ist mit der Basis eines Transistors 48 verbunden, der der Hauptstromregler ist. Der Emitter des Transistors 48 ist über eine Gegenspannungsschutzdiode 49 mit dem Stromeingangsanschluß 23 und der Kollektor des Transistors 48 ist mit der Leitung 31 verbunden. Ein»Einschalt«-Widerstand51 ist über dem Emitter und den Kollektor des Transistors48 geschaltet. Ein FET 52 ist zwischen den Emitter des Transistors 47 und die Leitung 36 geschaltet und seine Gate-Elektrode ist über einen Widerstand 53 mit der Leitung31 verbunden. Der FET52 ist eine Einschalthilfe und wirkt auch als Emitterwiderstand des Transistors 47.

Die »Ausschalt«-Schaltungsanordnung Tür den Quadraturkreis ist in Fig. 2 links gezeigt. Ein Verstärker 55 wird zwischen den Leitungen 31 und 36 gespeist und sein invertierender Eingang ist mit dem Ausgang des Wandlers 10 an dem Anschluß 11 verbunden und sein nicht invertierender Eingang ist mit dem Kontaktarm eines Potentiometers 56 verbunden. Das Potentiometer 56 ist zwischen zwei Widerstände 57 und 58 geschaltet und die Reihenschaltung der Widerstände 57,58 und des Widerstandes des Potentiometers 56 ist zwischen die Leitungen 33 und 36 geschaltet. Der Verstärker55 vergleicht die Wandlerausgangsspannung an Anschluß 11 mit der Bezugsspannung, die an dem Kontaktarm des Potentiometers 56 erzeugt wird und liefert ein Ausgangssignal über den Widerstand 59 zu der Gate-Elektrode eines FET's 60. Die Source-Elektrode des FET's 60 ist mit dem Kontaktarm eines Potentiometers 61 verbunden. Das Potentiometer 6! ist zwischen die Widerstände 62 und 63 geschaltet. Dies j Kombination der Widerstände 61, 62 und 63 bildet einen Spannungsteiler, der zwischen ü(e Leitung 33 und den Verbindungspunkt 64 geschaltet ist.

Ein erster Rückkopplungswiderstand 65 ist zwischen den Verbindungspunkt 64 und die Leitung36 geschaltet, und ein zweiter Rückkopplungswiderstand 66 ist zwischen den Verbindungspunkt 64 und den Stromausgangsan-Schluß 22 geschaltet. Die Drain-Elektrode des FET 60 ist mit der Leitung 41 verbunden, so daß, wenn der FET 60 in Abhängigkeit von einem negativen Ausgangssignal des Verstärkers 55 leitet, der Kontaktarm des Potentiometers 61 mit der Leitung 41 verbunden ist. Das negative Ausgangssignal des Verstärkers 55 wird durch den Spannungswert an dem Kontaktarm des Potentiometers 56, verglichen mit der Wandlerausgangsspannung an dem Anschluß 11, erzeugt.

Bei dem Beispiel der Fig. 2 reicht die Wandlerausgangsspannung von Null bis zu einem vollen negativen Wert, wenn der Zustand, der gemessen wird, seinen vollen Bereich durchläuft. Der Kontaktarm des Potentiometers 56 kann so eingestellt werden, daß er eine Schwellenspannung an dem Eingang des Verstärkers 55 liefert, so daß der FET 60 geöffnet wird, wenn ein Wandlersignal Null auftritt, und bei einem gewünschten Schwellwert gesperrt wird, der z. B. durch eine Zunahme der Wandlerausgangsspannung (in der negativen Richtung) von

fe5 10% des vollen Bereichs dargestellt werden kann. Wenn der FET 60 leitet, wird die Spannung an dem Kontaktarm des Potentiometers 61 auf den Eingang des Verstärkers 38 gegeben, wo ein Vergleich mit der Wandlerausgangsspannung durchgeführt wird. Diese Spannung ist das vorherrschende Signal auf der Leitung 41 in dem Bereich, in dem der FET 60 offen ist. Dieses Signal ist daher das Steuersignal an dem zugehörigen Eingang des

Verstärkers 38. Jede DilTcrenz der Spannung an den Eingängen des Verstärkers 38 wird verstärkt und als Steuersignal verwendet, das auf den Eingang des Verstärkers 90 gegeben wird, so daß ein geänderter Strom I_T gesteuert von dem Verstärker 38 Hießt. Die Änderung des Stroms aufgrund eines geänderten Eingangssignals auf der Leitung 39 in Beziehung zu einem Signal auf der Leitung 41 bewirkt ein neues Signal an dem Verbindungspunkt 64 und damit auf der Leitung 41 über den Widersland 63 und den Kontaktarm des Potentiometers 61 in linearer 5 Beziehung zu dem Ausgangssteuersignal des Verstärkers 38 in der richtigen Richtung, um die Differenzspannunpan den Eingängen des Verstärkers 38 auf Null zu verringern. Der Strom/; steht daher bei niedrigen Werten des W'jndlerausgangssignals (wenn der FET 60 offen ist) zu diesem ohne weitere aktive Abhängigkeiten im wesentlichen linear in Beziehung. Diese Eigenschaft führt bei niedrigen Werten des Wandlersignalpegels zu einer gleichförmigen Wirkung des Kreises, wo das exakte Ziehen der Quadratwurzel nicht praktisch wäre und wo io eine lineare Beziehung zwischen dem Wandlerausgangssignal und /, ausreichend genau ist.

Die Beziehung zwischen der Wandlerausgangsspannung V_P (die in diesem Fall zwischen den Anschlüssen 11 und 13 gemessen wird) und dem Gesamtstrom I_T für den linearen Betrieb des Kreises ist:

_V R_]+R₂+R_/ ,j

wobei R₁ der Widerstand 62 plus dem Teil des Potentiometers 61 über dem Kontaktarm 62, R₂ der Widerstand 63

plus dem Teil des Potentiometers 61 unter dem Kontaktarm, Λ/der Kückkopplungswiderstand 65 und V_R die '

Spannung zwischen den Leitungen 33 und 36 ist. 20

Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 55 infolge der Zunahme des Wandlerausgangssignals zunimmt, wird

der FET 60 gesperrt bzw. ausgeschaltet, um den Kontaktarm des Potentiometers 61 von der Leitung 41 über den i

Schwellwert zu trennen, und der lineare Betrieb wird unterbrochen und das Ausgangssignal des Quadratur- ' kreises 40 wird auf die Leitung 41 gegeben, die zu einem Eingang des Vergleichsverstärkers 38 führt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 55 ist auch mit einem Verbindungspunkt 69 verbunden, um einen Verstär- 25 : ker 70 zu speisen, der in dem Quadraturkreis 40 vorhanden ist. Die Stromrückleitung des Verstärkers 70 ist mit ^:.' der Leitung 36 verbunden. Die lichtemittierende Diode 80/1 eines Dioden-Fotowiderstandselements 80 ist zwi- ■ sehen den Verbindungspunkt 69 und den Ausgangsanschluß des Verstärkers 70 geschaltet. Ein Haltekondensator 68 ist zwischen den Ausgangsanschluß des Verstärkers 70 und den invertierenden Eingangsanschluß dieses ''i Verstärkers geschaltet. Der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers 70 ist über einen Widerstand 71 mit 30 ■"■■ einem Verbindungspunkt 72 verbunden. Ein Widerstand 73 ist zwischen den Verbindungspunkt 72 und den ■;;] Stromanschluß 22 geschaltet, der auch über Widerstände 66 und 65 mit der Leitung 36 verbunden ist. Ein Wider- ■; stand 74 ist zwischen den Verbindungspunkt 72 und die Leitung 33 geschaltet. ■■■■■■

Zwei zusätzliche Spannungsteiler sind in dem Rechen-bzw. Quadraturkreis 40 vorhanden. Ein Widerstand 75 ■'■' ist zwischen die Leitung 33 und den Verbindungspunkt 76 geschaltet und auch mit einem Widerstand 77 verbun- 35 j den, dessen gegenüberliegendes Ende mit der Leitung 36 verbunden ist. Ein Widerstand 78 ist zwischen die '■■'■ Leitung 73 und einen Verbindungspunki 79 geschaltet und auch mit einem Widerstand 81 verbunden, dessen gegenüberliegendes Ende mit der Leitung 36 verbunden ist. Ein Ende des Fotowiderstandes 85 des Dioden-Fotowidcrstandselements 80 ist mit dem Verbindungspunkt 79 und auch mit den ersten Enden eines Paars FET-Schalter 86 und 87 verbunden. Das andere Ende des Fotowiderstands 85 ist mit den ersten Enden eines zweiten v. Paars FET-Schalter 88 und 89 verbunden. Das andere Ende des Schalters 86 ist mit der Leitung 41 verbunden. Das andere Ende des Schalters 87 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 70 verbunden. Das andere Ende des Schalters 88 ist mit dem Verbindungspunkt 76 verbunden und das andere Ende des Schal- ';; ters89 ist mit dem Verbindungspunkt 72 verbunden. Ein Haltekondensator 92 ist zwischen die Leitungen 41 und ρ 36 geschaltet. Ein Flip-Flop 91 wird zwischen den Leitungen 31 und 36 gespeist, wenn ihm ein Versorgungsstrom 45 S; zugeführt wird, und hat einen Ausgang A, der mit den Gate-Elektroden der Schalter 87 und 88 verbunden ist, die ψ\ in Fig. 2 mitM« bezeichnet sind, sowie einen Ausgangs, der mit den Gate-Elektroden der Schalter 86 und 89 4 verbunden ist, die in Fig. 2 mit »ß« bezeichnet sind. Das Flip-Flop kann jeden gewünschten Aufbau haben, ist ;'i jedoch vorzugsweise ein integrierter Kreis mit niedrigem Stromverbrauch, der ein symmetrisches Rechteck- ti Ausgangssignal liefert, wenn der Kreis erregt wird. 50 fl

Das Flip-Flop 91 schaltet abwechselnd jeden der Ausgänse A und B auf den »Ein«-Zustand, während der :;]

andere auf dem »Aus«-Zustand ist, so daß der Fotowiderstand 85 über die FET-Schalter 86 bis 89 abwechselnd in <j

zwei verschiedene Kreise geschaltet wird. Wenn der Ausgang A erregt wird, sind die Gate-Elektroden der FET- '§,

Schalter 87 und 88 auf einem Pegel, bei dem diese FETs leiten, und es wird ein Strompfad von dem Verbin- |s

dungspunkt 79 über den Fotowiderstand 85 zu dem Verbindungspunkt 76 gebildet. In diesem Zustand leiten die 55 |l

FET-Schalter 86 und 89 nicht. Die Spannung an dem Verbindungspunkt 72, die den nicht-invertierenden Ein- «

gang eines Verstärkers 70 speist, ist dem Strom I_T proportional und kann, folgt man dem vorherigen Beispiel der gj

4-20-mA-Konstruktion durch richtige Bemessung der Widerstände 73 und 74 und der Rückkopplungswider- j'|

stände 65 und 66, die als ein Rückkopplungswiderstand wirken, wenn der FET 60 gesperrt ist, i.}

V₁ =k₂ Ut- 0,004)

_v 60

sein. In diesen Gleichungen wird 0,004 verwendet, um den 4-mA-Speisestrom zu bezeichnen.

Bei leitenden FETs 87 und 88 und gesperrten FETs 86 und 89 während des Ein-Zustands des Flip-Flops bezüglich des Potentials auf der Leitung 36, ist die Spannung V_x an dem Verbindungspunkt 72 65

/ _ _v Rl3 + Rf , η R 7

^v\ ~^vp- T.—T^—TU—'τ K

R₁, + A₇₄ +Rf R_n+R₁₄+Rf

wobei I_T der Gesamtstrom, V_R die regulierte Spannung, die von der Zener-Diode 34 erzeugt wird, und R₁.die Summe der Rückkopplungswiderstände 65 und 66 ist. Die Indices der Symbole in dieser Gleichung geben die Widerstandsziffer in Fig. 2 wieder.

Zur Beschreibung des Quadraturvorgangs des Kreises der F i g. 2 wird zuerst angenommen, daß das Flip-Flop 91 die /!-Schalter 87 und 88 gesperrt hat und die ß-Schalter86 und 89 offen oder gesperrt sind. Der Verstärker 70 erhält dann an seinem nicht-invertierenden Eingangsanschluß die Spannung V₁. Der invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 70 erhält über den Schalter 87 von dem Verbindungspunkt 79 zusammen mit einem weiteren Eingangssignal von dem Verbindungspunkt 76 über den Schalter 80 und den Fotowiderstand 85 und auch über den Schalter 87 ein Eingangssignal. Der Widerstand 78 kann zweckmäßigerweise gleich dem Widerstand 81

gewählt werden, so daß die Spannung an dem Verbindungspunkt 79 -i- beträgt. Die Widerstände 73,74 und R₁.

2 y

(die Widerstände 65 und 66) sind so gewählt, daß, wenn I₁ = 4 mA, der berechnete Versorgungsstrom V_x = -ή- und daher gilt:

V\ =-^-Kj (V₇--0,004),

ν _ Kf₁

"j

R_n+R_n+Rf

Die Verstärkung des Verstärkers 70 ist hoch und der Verstärker zwingt die Spannungen an seinen Eingängen in

Richtung auf gleiche Werte durch Änderung der Größe des Fotowiderstands 85 mittels Intensitätsänderung der Lichtquelle, die die lichtemittierende Diode 80Λ enthält. Die Intensität der Diode 80Λ wird von dem Ausgangssignal des Verstärkers 70 gesteuert. Die Gleichheit der Eingangsspannungen des Verstärkers 70 erfordert, daß:

K₃ Ut- 0,004) = R_XV_R,

wobei R_x von dem Wert (Λ₈₅) des veränderbaren Fotowiderstandes 85 zusätzlich zu den Festwiderständen 75,77, 78 und 81 abhängt. Der Ausdruck für R_x lautet wie folgt:

^Si _ Rn \

Rl» Rn . Ris R

Rn+Ri] Ris+Rn

Bei dem entgegengesetzten Schaltzyklus des Flip-Flop-Betriebs sind die Schalter 87 und 88 offen und die Schalter 86 und 89 sind geschlossen. Die Spannung an dem invertierenden Anschluß des Verstärkers 70 wird im I

wesentlichen konstant gehalten, da ihre einzige aktive Verbindung in diesem Zyklus zu dem Haltekondensator 68 verläuft. Der Kondensator 68 wird geladen, während die Zeitschalter 87 und 88 geschlossen sind. Die Spannung V_x wird nun über den Schalter 89 auf den Fotowiderstand 85, dann über den Schalter 86 auf die Leitung 41 gegeben, die mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 38 verbunden ist. Die Spannung auf der Leitung 41 ist mit V₂ bezeichnet. Die Leitung 41 ist auch über den Schalter 86 mit dem Verbindungspunkt 79 verbunden. Die Analyse des Kreises ergibt:

Vi= ψ -Ry(K₃ h -K₆V_R),

wobei Ry von dem Wert des veränderbaren Fotowiderstandes 85 zusätzlich zu den Festwiderständen 78,81,73, 74 und Rf abhängt. Das Verhältnis R_Y kann wie folgt ausgedrückt werden:

Rj\ ₊ Rn (Ri₃+Rf) , η
R+R+R ⁸⁵

Rli+Rgl Ri₃+Ri4+Rf

Die Konstante K₆ ist eine Funktion der Widerstände 73,74 und R_F (Widerstände 65 und 66). Folgt man dem

Beispiel für einen 4-20-mA-Betrieb, dann gilt ^=Y^-* ^wenn h = ^{4 mA}· ^Die Gleichung für V₇ lautet dann:

V₂=-ψ -K₃R_r([_T -0,004).
Durch Wahl kann R_x gleich R_Y gemacht werden, und dann folgt:

κ,--£---£-</ -0 004)²

2 K₄ V_R ' ^T

wobei K₄ eine Funktion der Festwiderstände 75, 77, 78 und 81 ist.

Der Wandler 10 liefert eine Spannung V₁,, die an dem Verstärker 38 mit der Spannung V₂ verglichen wird, die das Ausgangssignal des Quadraturkreises ist, wenn die Schalter 86 und 89 geschlossen sind. Der Verstärker 38 bewirkt, daß ein geänderter Strom I₁- in Abhängigkeit von irgendeiner Differenz zwischen den Spannungen V₁, und V₂ (die Eingangsspannungen des Verstärkers 38) fließt, um die Differenz dieser Spannungen auf Null zu verringern. Der Ausgang des Verstärkers 38 ist mit dem Stromsteuerverstärker 90 zu dessen Steuerung «erbunden S und spricht auf Signale an seinem Eingang an. Die Spannung V_P bezüglich der Leitung 36 kann ausgedrückt werden durch:

Vp = ■¥*--K₅ A P,

2

wobei der Wandler auf einen Differentialdruck A P anspricht und Ä"₅ eine Wandlerproportionalitätskonstante ist, die von dem Verhalten des Wandlers abgeleitet ist. Durch Kombination der Ausdrücke für V₂ und V_P ergibt sich dann:

(/, -0,004) = K₁ /JP ,

wobei K₁ eine Proportionalitätskonstante ist, die ebenfalls berechnet werden kann. Der Gesamtstrom über 4 mA ist somit der Quadratwurzel des ermittelten nifferentialdruckes proportional.

Der HaltsKondensator 92 ist zwischen die Leitungen 36 und 41 geschaltet, und das Signal V₂ wird auf der Leitung 41 gf halten, die über den Kondensator 92 zu dem Eingang des Ve-stärkers 38 fuhrt, wenn das Flip-Flop wieder in seinen vorherigen Zustand übergeht, in dem die Schalter 87 und 88 schließen und die Schalter 86 und 89 öffnen.

Der Kreis der F i g. 2 bewirkt eine Quadratwurzelziehung für Strommeßumformerkreise, die in dem Bereich von 4 bis 20 mA arbeiten. Dieser Vorgang ist möglich, da alle Teile des Kreises bei niedrigen Leistungspegeln arbeiten. Der Quadraturkreis, der anhand der Fig. 2 beschrieben wurde, ist bei dieser Anwendung besonders von Bedeutung, da er eine sehr genaue quadratische Funktion liefert, während gleichzeitig eine minimale Energiemenge verbraucht wird. Die Verwendung einer einzigen Lichtquelle geringer Leistung und eines einzigen Fotowiderstandes ist für ein erfolgreiches Arbeiten in dem Strombereich von 4 bis 20 mA sehr wichtig.

Tatsächliche Bauteilegrößen, die für den Kreis der Fig. 2 verwendet werden können, sind in der Tabelle 1 am Ende dieser Beschreibung angegeben. Die Frequenz des Flip-Flops beträgt etwa 1 kHz. Der Meßumformer ist so ausgelegt, daß er von einer Spannungsquelle mit 14 bis 45 V Gleichspannung versorgt wird.

Der Kreis der Fig. 2, der Bauteilegrößen wie in der Tabelle 1 hat, hat etwa 1,6 mA für den Wandler 10 zur Verfügung und arbeitet mit einem Wandlerausgangssignal an dem Anschluß 11 zwischen 0 und -400 mV zufriedenstellend. Ein Beispiel eines solchen Wandlers ist in der F i g. 3 gezeigt, wo der Kreis so ausgebildet ist, daß er mit dem Kreis der Fig. 2 durch Verbindungsanschlüsse 101,102 und 10.3 mit den Anschlüssen 11,12 bzw. 13 verbunden werden kann. Der Kreis der F i g. 3 bildet einen A P-Fühler, der eine Membran hat, die sich zwischen festen Kondensatorplatten bewegt, und ist dem in der US-PS 36 46 538 beschriebenen gleich.

Die mechanische A /"-Anordnung ist schematisch bei 110 gezeigt und besteht aus Kondensatoren Ci und C₂, deren Kapazitäten sich bei einer Änderung des Differentialdruckes entgegengesetzt ändern. Ein Oszillator 120, der einen Transistor 121 aufweist, wird von einem Verstärker 130 gespeist, der zwischen den Anschlüssen 102 und 103 mit Strom versorgt wird. Der Ausgang des Verstärkers 130 ist über einen Dämpfungswiderstand 131 mit dem einen Ende einer Primärwicklung 122 verbunden. Das andere Ende der Wicklung 122 ist mit dem Kollektor des Transistors 121 verbunden. Eine Rückkopplungswicklung 123 ist mit dem einen Ende mit dem Anschluß 103 und über ei-.ien Filterkondensator 124 mit dem einen Ende der Wicklung 122 und mit dem anderen Ende mit dem Emitter des Transistors 121 verbunden. Die Basis des Transistors 121 ist über einen Gleichspannungs-Vorspannungswiderstand 125 mit dem Anschluß 102 verbunden. Ein Entkopplungskondensator 126 ist zwischen die Basis des Transistors 121 und das eine Ende der Wicklung 123 geschaltet. Der Kondensator C₂ ist über eine Diode 140 in Durchlaßrichtung mit dem einen Ende einer Wicklung 150 und auch über eine Diode 141 in Sperrrichtung mit dem einen Ende einer Wicklung 151 verbunden. Der Kondensator C_s ist über eine Diode 142 in so Sperrichtung mit dem einen Ende einer Wicklung 152 und auch über eine Diode 143 in Durchlaßrichtung mit dem einen Ende einer Wicklung 153 verbunden. Das eine Ende der Wicklung 153 ist auch mit der einen Seite eines Kondensators C₃ verbunden. Die andere Seite des Kondensators C₃ ist über eine Diode 144 in Durchlaßrichtung mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß 132 der Verstärkers 130 und über eine Diode 145 in Sperrichtung mit dem invertierenden Eingangsanschluß 133 des Verstärkers 130 verbunden. Die anderen Enden der Wicklungen 150 und 152 sind mit dem Signalausgangsanschluß 102 verbunden. Das andere Ende der Wicklung 151 ist mit dem Anschluß 132 und das andere Ende der Wicklung 153 mit dem Anschluß 133 verbunden. Der Widerstand 134 ist zwischen den Eingangsanschluß 133 des Verstärkers 130 und den Anschluß 103 und ein Widerstand 135 ist zwischen den Eingangsanschluß 132 des Verstärkers 130 und den Anschluß 102 geschaltet und diese beiden Widerstände 134 und 135 erzeugen Bezugsströme zum Addieren an den Eingangsanschlüssen des Verstärkers 130. Ein Widerstand 136 ist zwischen den Eingangsanschluß 133 und einen Verbindungspunkt 138 geschaltet, und ein Widerstand 137 ist zwischen den Eingangsanschluß 132 und den Verbindungspunkt 138 geschaltet, und diese beiden Widerstände 136, 137 vervollständigen den Stromaddierkreis für die Ströme der Kondensatoren C₁, C₂ und C₃. Ein veränderbarer Widerstand 139 ist zwischen den Verbindungspunkt 138 und den Anschluß 101 geschaltet und bewirkt eine Meßspanneneinstellung des Wandlers. Ein Potentiometer 149 ist zwischen die Anschlüsse 102 und 103 geschaltet und der Kontaktarm des Potentiometers 149 ist über einen Widersland 148 mit dem Anschluß 101 verbunden, um eine Vorspannung Null zu erzeugen. Filterkondensatoren vervollständigen die Wechselstrompfade in dem Wandler und umfassen einen Kondensator 161 Her 711 Hem

Widerstand 139 parallelgeschaltet ist, einen Kondensator 162, der zwischen den Verbindungspunkt 138 und den Anschluß 102 geschaltet ist, einen Kondensator 163, der zwischen den Verbindungspunkt 138 und den Anschluß 103 geschaltet ist, einen Kondensator 164, der zwischen den Anschluß 133 und den Verbindungspunkt 138 geschaltet ist, und einen Kondensator 165, der zwischen den Anschluß 132 und den Verbindungspunkt 138 geschaltet ist Die Filtrierung zwischen den Sekundärwicklungen 150 bis 153 erfolgt durch einen Kondensator 166, der zwischen die einen Enden der Wicklungen 150 und 151 geschaltet ist, einen Kondensator 167, der zwischen die einen Enden der Wicklungen 151 und 152 geschaltet ist, und einen Kondensator 168, der zwischen die einen Enden der Wicklungen 152 und 153 geschaltet ist

Die Arbeitsweise des Kreises der Fig. 3 ist gleich der in der US-PS 36 46 538 beschriebenen, so daß jede der Sekundärwicklungen 150 bis 153 zusammen mit ihrer zugehörigen Diode 140 bis 143 und dem Kondensator C, oder C₂ ein Gleichspannungssignal +CVf in Abhängigkeit von der relativen Polarität der zugehörigen Diode erzeugt Das Differentialsignal Null am Eingang des Verstärkers 130 verlangt, daß das Produkt aus Frequenz und Amplitude des Oszillators 120 (C, +C₂-2 C₃)"' proportional ist Die Spannung V ist die Spitze-Spitze-Erregungsspannung an den Sekundärwicklungen 150 bis 153 und/ist die Oszillatorfrequenz. Die Spannung an dem Anschluß 101 ist dann

(C₁-C₂)V/ oder (C₁-C₁)Z(C₁ +C₂-2 C₃)

proportional. Dieser Ausdruck zeigt eine lineare Beziehung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem Differentialdruck, der an P₁ und P₂ festgestellt wird, wenn Druckfühler verwendet werden, wie sie in der US-PS 36 46 538 beschrieben sind. Eine Liste der Bauteile, die für den Kreis der F i g. 3 verwendet werden können, ist in der Tabelle 2 angegeben, die der Tabelle 1 folgt, und der Kreis liefert ein Ausgangssignal von etwa 400 mV bei einem Erregerstrom von 1,8 mA, wenn Q - C₂ sich um etwa 150 pF ändert.

Das Ausgangssignal des Kreises der F i g. 3 ist bezüglich des festgestellten Differentialdruckes linear und das Signal wird als Eingangssignal des Meßumformers verwendet, wie zuvor beschrieben wurde.

Es ist zu beachten, daß die Verwendung eines einzigen Fotowiderstandes 85, der abwechselnd mit dem Verstärker 70 und dem Ausgang des Quadraturkreises verbunden wird, Probleme aufgrund von Temperaturänderungen oder Lichtänderungen beseitigt, die auftreten würden, wenn Kreise mit zwei getrennten, jedoch gleichen Fotowiderständen verwendet werden würden. Wenn derartige Faktoren jedoch nicht kritisch sind, kann der Kreis abgewandelt werden, so daß er zwei getrennte Fotowiderstände hat

Obwohl das spezielle Beispiel des Wandlers zum Erfassen eines Differentialdruckes bestimmt ist, kann das Eingangssignal von einem Wandler beliebiger Art kommen, z. B. von einem Temperaturwandler, dessen Quadratwurzel man erhalten will.

Tabelle 1 (Bauteile in Fig. 2)

Bauteile

Bezugszeichen

Wert und/oder Typ

40 Kondensatoren	45	Fotowiderstand	60	Dioden	92,68	0,22 μΡ
		und lichtemittierende Diode		44	0,001 μΡ
Widerstände			57, 58, 78, 81	35 K
		C5 Transistoren	56	2K
		59	1OM
50		62	19 K
		63,73	20K
	61	IK
	74	17K
	71	471
55	66	100
	65	40
	75	4OK
77,45	1OK
42, 43, 53	68 K
35	1,4 K
51	18K

85 und 80/i	VACTEC VTL 2 <

49	1 N 4003
32	1 N 2620 9 Volt
34	1 N 4571 6,3VoIt
60	2 N 4360
47	2 N 2222
48	2 N 4920
52	2 N 5465

	P	24 20 377	Wert und/oder Typ	α
		RCA CD 4007 AE RCA CD 4016 AE Monolithische Präzisionskreise Fairchild741C
Fortsetzung	Bezugszeichen
Bauteile	91 88, 89, 87, 86 38,55 70	Wert und/oder Typ
Integrierte Kreise		0,01 .uF 165, 0,IaF
Tabelle 2 (Bauteile in Fig. 3)	Bezugszeichen	68 K (alle in Ohm) 12 18 K 1 K 2OK 200K
Bauteile	126 124,161,164, 166,167, 168 162,163	143, IN 914
Kondensatoren	125 131 134, 135 136,137 139,149 148	2 N 3903
Widerstände	140, 141, 142, 144, 145	Monolithische Präzisionskreise m 741 I. C. I Funktionsverstärker p
Dioden	121	Primärwicklung: 55 Windungen U Rückkopplungswicklung: 5 Windungen \| 153 Sekundärwicklung: 200 Windungen \| viererverseilt gewickelt; Kern 768 T188-3 D 3-Ferroxcube \|f
Transistoren	130	3 Blatt Zeichnungen U
Verstärker	122 123 150,151, 152,	I I
Transformator-Wicklungen	Hierzu

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Meßumformer nach dem Zwei-Draht-Verfahren mit einem ersten und zweiten Anschluß zur Verbindung mit einer Energiequelle, über die die Bauelemente des Meßumformers mit Gleichstrom versorgt werden und die gleichzeitig zur Signalübertragung dienen, mit einem Meßwandler zur Erzeugung eines Eingangssignals, das sich in Abhängigkeit von dem zu messenden Parameter ändert, und mit einem Stromsteuerkreis, der ein veränderbares Ausgangsstromsignal aus einem Steuersignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßumformer einen Quadraturkreis (40; 50) aufweist, der von einem Eingangsspannungsteile_t(25

ic bis 27; 65,66,73,74) gespeist wird, der ein erstes Gleichstromsignal (28; K,) erzeugt, das eine Funktion des veränderbaren Ausgangssignals (/_r) ist,

daß der Quadraturkreis (40; 50) eine Ausgangsstufe (17; 85,86,89,91,92) aufweist, die ein zweites Signal (V₂) proportional dem Quadrat des ersten Gleichstromsignals (28; V₁) erzeugt, und
daß ein Vergleichsverstärker (30; 38) an seinem ersten Eingang mit dem zweiten Signal (V₂) und an seinem

zweiten Eingang mit dem Eingangssignal (11) vom Meßumformer (10) verbunden ist und am Ausgang das Steuersignal (18; 90) für den Stromsteuerkreis (20) abgibt.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausgangsstufe (17; 85, 86, 89, 91, 92) des Quadraturkreises (40; 50) einen Photowiderstand (85), dessen Widerstandswert die Größe des zweitsn Signals (K₂) beeinflußt,

eine Lichtquelle (80Λ) veränderbarer Intensität zur Steuerung des Widerstandswertes des Photowiderstandes (85? und

einen Verstärker (70) aufweist, der die Intensität der Lichtquelle (8QA) in Abhängigkeit von dem veränderbaren Ausgangsstromsignal (I_T) und des Widerstandswertes des Photowiderstandes (85) steuert.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
eine Schalteinrichtung (60),

eine Verbindungseinrichtung (41), mit der eine Seite der Schalteinrichtung (60) mit dem Eingang des Vergleichsverstärkers (38) verbindbar ist,

eine Einrichtung (Kontaktarm 61), die mit der anderen Seite der Schalteinrichtung (60) und mit dem Ausgang des Steuerstromkreises verbunden ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion des veränderbaren Ausgangssignales ist, und

eine Einrichtung (55), die auf das Eingangssignal anspricht und die Schalteinrichtung schließt und deren eine und die andere Seite verbindet, wenn das Eingangssignal unter einem gewünschten Pegel ist.

4. Meßumformer Räch Acpruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet.

daß eine Photowiiiersti..idseinrichtung (80) den Photowiderstand (85) und ein erstes Widerstandsnetzwerk (75, 77,78,81) und ein zweite«; Widerstandsnetzwerk (65, 66, 73, 74,78,81)und Schalter (86, 87,88,89,91) aufweist, um den Photowiderstand (85) abwechselnd in das erste und das zweite Widerstandsnetzwerk zu schalten,

daß das erste Widerstandsnetzwerk über den Photowiderstand (85) mit dem zweiten Verstärker (70) verbunden ist,
daß das zweite Widerstandsnetzwerk mit dem Vergleichsverstärker (38) verbunden ist, und

daß das erste und das zweite Widerstandsnetzwerk mit den Schaltern verbunden ist, um ein Netzwerk von dem Photowiderstand (85) zu trennen, wenn das andere Netzwerk mit dem Photowiderstand (85) verbunden ist.

5. Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer eine Energiequelle (V_K) für das erste Widerstandsnetzwerk (75,77,78,81) und das zweite Widerstandsnetzwerk (65,66,73,74,78,81)

\\ aufweist, daß das erste und das zweite Widerstandsnetzwerk je eine Quellenimpedanz (R_x und R_Y) und aus-

Jt gewählte und verbundene Widerstände hat, so daß die Quellenimpedanzen des ersten und zweiten

,J_n Netzwerks, wenn sie mit dem Photowiderstand (85) verbunden sind, an dem zweiten Verstärker (70) und dem

^ Vergleichsverstärker (38) im wesentlichen gleich sind (A^ = A₁-).

]l 50

6. Meßumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Widerstandsnetzwerk (65,

66, 73, 74, 78, 81) einen Teil der Eingangseinrichtung des Quadraturkreises (40; 50) umfaßt.

7. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadraturkreiseingangseinrichtung ein Widerstandsnetzwerk (65, 66, 73, 74) aufweist, das zwischen diese Anschlüsse geschaltet ist, um den Gesamtstrom durch die Anschlüsse zu ermitteln.

8. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadraturkreisein-

gangseinrichtung eine stromempfindliche Einrichtung aufweist, die einen Spannungsteiler (25,26 bzw. 73, 74) hat, der mit dem Quadraturkreis (40; 50) verbunden ist, eine Reihenschaltung eines Widerstandes (24 bzw. 65,66) und eines Spannungsbezugselements (16 bzw. 34), das zwischen diese Anschlüsse geschaltet ist, sowie eine Einrichtung, um den Spannungsteiler parallel zu der Serienschaltung zu schalten.

9. Meßumformernach einem der Ansprüche 1 bisS.dadurchgekennzeichnet.daßderMeßumformerOO)

auf veränderbare physikalische Parameter anspricht, und daß die Einrichtung, die den Meßumformer (10) speist, der Quadraturkreis (40; 50) und der Vergleichsverstärker (38) ein Spannungsbezugselement (16; 34) aufweisen, das zwischen die Anschlüsse geschaltet ist.