DE2558157A1 - Wandler zur umwandlung eines sich aendernden reaktanzsignals in ein gleichstromsignal - Google Patents
Wandler zur umwandlung eines sich aendernden reaktanzsignals in ein gleichstromsignalInfo
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Description
Wandler zur Umwandlung eines sich ändernden Reaktanzsignals in ein Gleichstromsignal
Die Erfindung betrifft einen Zweidraht-Meßwertumformer, dessen Gleichstromerregung in Abhängigkeit von einer
sich ändernden Reaktanz wie eines Kapazitäts-Druckfühlers amplitudengesteuert wird, so daß der Gleichstrom
sowohl als Erregung als auch als elektrisches Signal dient, das für den ermittelten Druck charakteristisch
ist'.
Eine Zweidraht-Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines sich ändernden Wechselstrom-Blindwiderstandes in ein
Stromsignal ist in der US-PS 3 646 538 beschrieben.
Die Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zur genauen Erzeugung eines Stromsignals im Verhältnis zu
einer zu messenden veränderbaren Reaktanz. Die Schaltungsanordnung weist einen Oszillator und eine Gleichrichtereinrichtung
auf, die mit der Reaktanz zusammengeschaltet sind, um ein Gleichstromsignal als Funktion
der Reaktanz zu erzeugen, sowie ein Widerstandsnetzwerk, das ein Stromsignal proportional den Gesamtstroin
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erzeugt, der von der Schaltungsanordnung aufgenommen wird,
und weiterhin eine Steuerstufe zur Änderung des Gesamtstroms als Funktion der veränderbaren Reaktanz.
Die Erfindung schafft somit einen Zweidraht-Stromumformer, der ein Stromsignal erzeugt, das einen Parameter darstelit , der
von einem Reaktanzwandler für eine veränderbare Reaktanz auf den gleichen beiden Leitungen gemessen wird,die verwendet
werden, um der Schaltungsanordnung Erregungsenergie zuzuführen. Die Reaktanz wird von einer Schaltung gemessen,
die ein Gleichstrorasignal erzeugt, das eine Stromsteuerstufe steuert, um den Gesamtstrom durch die beiden Leitungen
zu ändern. Die Stromsteuerstufe hat eine geringe
Anzahl von Bauelementen und arbeitet mit einer relativ niedrigen Spannung.
Die Erfindung ist insbesondere zur Messung mit einem Kapazitätsdrucksensor geeignet, bei dem nur ein aktiver
Kondensator verwendet wird und bei dem der Gesamtgleichstrompegel zu der Schaltungsanordnung sich linear mit
dem zu messenden Druck ändert.
Die Schaltungsanordnung macht von einer Stromsummierung in der Oszillatorsteuerstufe und der Ausgangsstufe Gebrauch,
um Verstärkerabweichungsfehler auf einem Minimum zu halten. Auch ist weitgehend infolge einer verbesserten
Ausgangsstufe die Spannung, die für den Betrieb der Schaltungsanordnung erforderlich ist, relativ niedrig
und die Anzahl der erforderlichen Bauelemente ist im Vergleich zum Stand der Technik erheblich verringert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 und 2 beispielsweise erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung, die den Strom,der der Schaltungsanordnung
zugeführt wird, als Funktion eines veränderbaren Kondensators steuert, und
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ORIGINAL INSPECTED
- 3 - :> S : 1 δ
Figur 2 eine schematische Darstellung einer abgewandelten OszillatorSteuerstufe, bei der eine veränderbare
Induktivität anstelle eines Kondensators ein Signal der Ausgangsstufe zuführt.
Die bevorzugte Ausführungsform ist im einzelnen in Fig. gezeigt, in der C1 einen Kapazitätsdrucksensor mit nur
einem aktiven Kondensator darstellt. Bei solch einem Drucksensor, wie er in der DT-OS 2 514 511 beschrieben ist, bewegt
sich eine Membran in Abhängigkeit von Druckänderungen und erzeugt eine sich ändernde Kapazität, die zu dem Druck
umgekehrt in Beziehung steht und mit zunehmendem Druck abnimmt. Dabei wird eine Schaltung benötigt, die ein zunehmendes
Gleichstromsignal bei abnehmender Kapazität erzeugt, so daß die resultierende Funktion ein elektrisches Ausgangssignal
ist, das sich linear proportional dem Druck ändert. Die beschriebene Schaltung führt diese Funktion
durch und enthält auch eine Stromsteuerstufe, die, wenn sie in Verbindung mit dem Gleichstromsignalerzeugungskreis
verwendet wird, die Steuerung der Erregerstromamplitude proportional zu dem Gleichstromsignal bewirkt. Diese
Schaltung zusammen mit einem Sensor, der das Kapazitätssignal C- erzeugt, wird als Zweidraht-Meßwertumformer bezeichnet,
da das Gesamterregersignal und das dem Parameter, der gemessen wird, proportionale Signal einen Gleichstrom
umfaßt, der nur von zwei Leitungen geführt wird.
Fig. 1 zeigt die vollständige Schaltung, die aus drei Hauptteilen besteht, die durch gestrichelte Linien getrennt
und allgemein als Eingangskreis 10, Stromsteuerkreis 60 und Erregerkreis 90 bezeichnet sind.
Der Eingangskreis hat einen veränderbaren Kondensator C1
und einen Bezugskondensator C2, einen Oszillator und zugehörige
Gleichrichterbauteile zur Erzeugung von Gleichstromsignalen proportional zu den Kondensatoren, eine
Quelle für eine Bezugsspannung Vn und eine Verbindungsschaltung
zur Erzeugung einer gewünschten Funktion zwi-
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ORIGINAL INSPECTED
sehen C1 und einem Gleichspannungsausgangssignal auf einer
Leitung 11.
Der Oszillator bewirkt eine wiederholte Ladung und Entladung der Kondensatoren C. und C2 mit Strömen bzw. Stromimpulsen,
und das Oszillatorausgangssignal in Form des Produkts aus Frequenz und Spannung, das von ihm erzeugt
wird, wird von den Spannungen an den Eingängen des Verstärkers 12 gesteuert. Der Ausgang des Verstärkers 12
ist über einen Koppelkondensator 13 mit dem einen Ende einer Oszillatorrückkopplungswicklung 14 verbunden. Das
andere Ende der Rückkopplungswicklung 14 ist mit dem Emitter eines Transistors 15 verbunden. Ein Kondensator
16 ist zwischen die Basis des Transistors 15 und das eine Ende der Wicklung 14 geschaltet. Eine Oszillatorprimärwicklung"
1 7 ist zwischen den Kollektor des Transistors 15 und eine Leitung 18 geschaltet. Ein Widerstand
19 ist zwischen die Leitung 18 und die Basis des Transistors 15 geschaltet. Der Verstärker 12 wird durch
Verbindung seiner Versorgungsanschlüsse mit der Stromzufuhrleitung 18 und der Stromrückleitung 19 erregt.
Die Primärwicklung 17 ist elektrisch mit den Sekundärwicklungen 20 und 21 verbunden, die die sich wiederholenden
bzw. periodischen Ströme den Kondensatoren C. und C2 zuführen.
Die Wicklung 20 ist an einem Ende mit einer Leitung 22 verbunden und das andere Ende ist über eine in
Durchlaßrichtung geschaltete Diode 23 mit der einen Seite des Kondensators C1 verbunden. Die andere Seite des Kondensators
C1 ist mit der Leitung 18 über einen Koppelkondensator
C3 verbunden, der eine Gleichstromtrennung
zwischen dem geerdeten Sensor (C1) und der angeschlossenen
Schaltung schafft. Dies erlaubt die Verwendung eines geerdeten Netzgerätes'oder eines geerdeten Empfängers und
eines geerdeten Kondensators C1. Das eine Ende der Wicklung
21 ist mit einer Leitung 24 und das andere Ende der Wicklung ist über eine in Sperrichtung geschaltete Diode
(sie leitet Strom von C1 her) mit der einen Seite des
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Kondensators C1 verbunden. Das eine Ende der Wicklung
ist auch über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 26 mit der einen Seite des Kondensators C9 verbunden. Die
eine Seite des Kondensators C9 ist auch über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 27 mit der Leituncr
18 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C9 ist mit dem anderen Ende der Wicklung 21 verbunden. Ein
Widerstand 28 und ein paralleler Kondensator 29 sind zwischen die Leitung 18 und die Leitung 22 geschaltet
und ein Kondensator 30 ist ebenfalls zwischen die Leitung 18 und die Leitung 24 geschaltet. Ein Kondensator
31 ist zwischen die Leitungen 24 und 22 geschaltet, die mit dem nicht invertierenden bzw. invertierenden Eingang
des Verstärkers 12 verbunden sind. Ein Rückkopplungskondensator 32 verbindet die Leitung 22 und den Ausgang des
Verstärkers 12.
Im Betrieb sind die Ströme, die den Kondensatoren C. und
C9 zugeordnet sind, pulsierende Gleichstromsignale (auch
als Stromimpulse bezeichnet), die eine mittlere Amplitude haben, die dem Produkt der angelegten Spitzenspannung,
der Frequenz der Impulse und der Kapazität direkt proportional sind, solange die Spitzenspannungen von ausreichender
Dauer sind, um die Kondensatoren während jedes Zyklus im wesentlichen voll zu laden, wobei der
Durchlaßspannungsabfall der angeschlossenen Dioden vernachlässigt wird. Der Gleichstrom, der durch die Dioden
23 und 25 fließt, ist dann gleich fVC. , wobei V die Spitze-Spitze-Spannung und f die Frequenz der Wechselspannungserregung
an den Wicklungen 20 und 21 ist. In ähnlicher Weise ist der Gleichstrom durch die Dioden 26
und 27 fVC9. Die Spannung auf der Leitung 24 bezüglich der Leitung 18 ist im wesentlichen fest und kann mit V1
bezeichnet werden. Die Polarität der Eingangssignale zu dem Verstärker 12 ist derart, daß ein erhöhtes Ausgangssignal
des Verstärkers 12 einen erhöhten Strom durch die Dioden 23 und 25 und eine verringerte Spannung auf
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ORIGINAL INSPECTED
der Leitung 22 erzeugt. Somit bleibt die Spannung auf der Leitung 22 im wesentlichen gleich V1 und der Gleichstrom
durch die Dioden 23 und 25 ist gleich dem Strom durch den Widerstand 28, so daß
1 R28
und die Oszillatorsteuerung ergibt die Gleichung
fV = -pr4
... (2)
C1R28
Der Eingangskreis enthält eine Zenerdiode 33, die zwischen die Leitung 18 und eine ·Stromrückleitung 34 geschaltet ist,
und zwei Festwertwiderstände 35 und 36 sind in Reihe parallel zu der Diode 33 geschaltet. Der Verbindungspunkt der
Widerstände 35 und 36 ist über einen Widerstand 37 mit der Leitung 38 verbunden und die einen festen Wert aufweisende
Spannung auf der Leitung 38 bezüglich der Leitung 18 ist mit V0 bezeichnet. Ein Nullpotentiometer 39
ist zwischen die Leitung 18 und die Leitung 34 geschaltet und der Abgriff des Potentiometers ist über einen Widerstand
40 mit der Leitung 11 verbunden. Das Potentiometer
41 und ein Widerstand 42 sind zwischen die Leitung 11 und die Leitung 24 geschaltet. Der Abgriff des Potentiometers
41 ist mit dem einen Ende des Potentiometers verbunden, so daß er als veränderbarer Widerstand wirkt, um eine
linearisierende Charakteristik zu schaffen, wie später beschrieben wird.
Der Gleichstrom i.. durch das Potentiometer 41 und den
Widerstand 42 setzt sich aus Strömen zusammen, die durch die Dioden 23 und 25 und auch durch die Dioden 26 und 27
fließen und somit gilt: i.. = fV (C2-C1). Der Eingangskreis
enthält auch einen Strom i2 zur Nullpunkteinstellung,
der von der Leitung 11 durch den Widerstand 40 fließt, wie gezeigt ist. Der Strom auf der Leitung 11
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ist somit io + i. bzw. io + fV(Co-C,) und da fv = -—-1
kann dieser Strom ausgedrückt werden durch:
C2 Die Spannung V. hängt etwas von —— ab, da V. = VR +
(R41 + R49) unter äer Annahme, daß die Spannung auf der
Leitung 11 im wesentlichen gleich der Spannung V auf der Leitung 38 ist. Folglich ist der Wert von R41 + R42 ein
wählbarer Ausdruck, der verwendet werden kann, um den Ausdruck für i2 + I1 zu ändern. Dieser Änderungsvorgang wird
tatsächlich verwendet, um die Gesamtübertragungsfunktion zu linearisieren, d.h., die Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom
und dem gemessenen Parameter, was infolge einer nicht vermeidbaren Nebenschlußkapazität über C. und anderer
Faktoren wie einer geringen Nichtlinearität an einer Druckmembran z.B. erwünscht ist. Dieser Eingangskreis, wie er
beschrieben wurde, erzeugt ein Stromsignal auf der Leitung 11, das im wesentlichen dem Ausdruck C2ZC1 proportional
ist und der Nullpunkteinstellungs- und Linearisierungseigenschaften hat. Die Bezugsspannung bzw. feste
Spannung Vn wird auf der Leitung 38 zugeführt.
ti
Der Stromsteuerkreis 60 wird über die Stromzuleitung 61 und die Stromrückleitung 62 gespeist und seine Grundfunktion
ist es, den Eingangskreis 10 zu erregen und die Steuerung des Gesamtstroms IT des gesamten Kreises in der
Leitung 61 als Funktion des Zustandes, der gemessen wird, zu bewirken. Er kann als mit dem Eingangskreis an den Anschlüssen
18A, 11A, 38A, 34A und 19A verbunden angesehen werden.
Der Gesamtstrom 1"T fließt durch eine Rückleitungsschutzdiode
63* und dann über ein Widerstandsnetzwerk 64 zu der Leitung 18 mit Ausnahme eines bekannten Anteils X3 des
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Gesamtstroms I , der über die Leitung 65 zur Leitung 11
fließt. Das Widerstandsnetzwerk 64 umfaßt eine Reihenschaltung eines Potentiometers 66 und eines Widerstandes
67, die parallel zu einem Widerstand 68 zwischen der Diode 63 und der Leitung 18 geschaltet sind. Der Abgriff
des Potentiometers 66 ist über einen Widerstand 69 und die Leitung 65 mit der Leitung 11 verbunden. Ein Verstärker
70 wird durch Verbindung mit den Leitungen 18 und 19 erregt und sein Ausgang ist über einen Widerstand
71 mit der Basis eines Stromsteuertransistors 72 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers
70 ist mit der Leitung 11 und der invertierende Eingang
mit der Leitung 38 verbunden. Ein Kondensator 73 ist zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des
Verstärkers 70 geschaltet. Der Emitter des Transistors
72 ist mit der Stromzufuhrleitung 18 über einen Widerstand
74 verbunden und eine Strombegrenzungsdiode 75 ist zwischen die Leitung 18 und die Basis des Transistors
72 geschaltet. Wenn der Strom durch den Widerstand 74 einen bestimmten Wert überschreitet, leitet die Diode
75 und begrenzt den Transistor 72, so daß der Strom begrenzt wird und sie als eine Schutzeinrichtung wirkt.
Der Kondensator 76 ist über die Basis und den Emitter des Transistors 72 geschaltet, um für dynamische Stabilität
zu sorgen. Der Kollektor des Transistors 72 ist mit der Basis eines Transistors 77 verbunden und der Emitter
des Transistors 72 ist mit der Rückleitung 62 verbunden. Der Kollektor des Transistors 77 ist mit der Leitung 19
verbunden und ein Widerstand 78 ist zwischen die Leitungen 19 und 62 geschaltet. Der Widerstand 78 dient als
Strom-bypass und ist bei Erregung des Kreises wirksam. Ein Widerstand 79 und ein parallelgeschalteter Kondensator
80 sind zwischen die Basis und den 'Emitter des Transistors 77 geschaltet, um Oszillatorstörsignale aus
dem Ausgangssignal zu filtern. Ein Widerstand 81 ist zwischen die Leitungen 34 und 19 geschaltet und ein
Transistor 82 ist mit seiner Basis mit der Leitung 34
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und mit seinem Emitter mit der Leitung 19 verbunden. Der Kollektor des Transistors 82 ist mit dem Emitter des
Transistors 72 verbunden. Der Transistor 82 und der Widerstand 81 dienen zur Stabilisierung des Stroms
durch die Zenerdiode 33.
Im Betrieb fließt ein bekannter Anteil X3 des Gesamtstroms
IT zu der Leitung 11 über den Widerstand 69. Ein
ansteigendes Signal auf der Leitung 11 an dem nicht invertierenden Anschluß des Verstärkers 70 erzeugt ein
abnehmendes Signal an der Basis des Transistors 72 und der Basis des Transistors 77 und dadurch wird der Stromfluß
durch den Transistor 77 und das Netzwerk 64 verringert. Der Strom i_ nimmt somit dann ebenfalls mit
dem Bestreben ab, die feste Spannung auf der Leitung 11
gleich der Spannung V auf der Leitung 38 zu halten. Auch ist I3 = X1 + I2 und I3R69 = ITR2 + VR, wobei
_ _ R68 (R66 + R67}
Z R66 + R67 + R68
wenn der Abgriff des Potentiometers 66 zum oberen Ende 66A geschoben ist. Wenn der Abgriff nach unten geschoben
wird, würde dies den Ausdruck für R ändern und seine
Abnahme bewirken, jedoch würde die Beziehung zwischen i3
und I proportional bleiben. Somit wirkt das Potentiometer 66 als eine Abstands- bzw. Empfindlichkeitssteuerung, da
es ein Vervielfacher des Gesamtstroms I ist. Kombiniert man den obigen Ausdruck mit dem zuvor abgeleiteten Ausdruck
für ±2 + i-, (Gleichung 3), so ergibt sich:
t V1 R6 C2 χ., R 69
T R28Rz V C1 ' 2 R-
wobei V1 die zuvor beschriebene Beziehung zu V1, hat und
±2 ein Nullpunkteinstell-Strompegel ist, der über das
Potentiometer 39 gewählt wird.
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Als ein besonderes Beispiel wurde ein Erregerkreis 90,
bestehend aus einer Gleichspannungsquelle 91 und einem Lastwiderstand 92 in der gezeigten Weise an die Leitungen
61 und 62 angeschlossen, um einen positiven Stromfluß in Richtung des Pfeils I„ zu bewirken. Der Kondensator
C1 wurde zwischen etwa 82 pf und 50 pf geändert, um von
Null bis zum Maximum reichende Drucksignale eines kapazitiven Drucksensors wiederzugeben und C0 beträgt 82 pf.
Weitere Bauelementenwerte sind in der Tabelle 1 angegeben. Es wurde festgestellt, daß die Versorgungsspannungsanforderungen
zwischen den Leitungen 61 und 62 minimal 12 V und maximal 35 V betrugen. Der Ausgangsstrom konnte
mit dem Potentiometer 39 auf 4 mA eingestellt werden, wenn C. und C gleich waren und der Bereich konnte mit
dem Potentiometer 66 zur Erzeugung eines Gesamtstroms von 20 mA eingestellt werden, wenn C1 etwa 5o pF betrug.
Die Linearität von I in Abhängigkeit von C0ZC1 konnte
mit dem Potentiometer 41 eingestellt werden.
Der Meßwertumformer schafft grundsätzlich drei Strompfade zwischen den Leitungen 18 und 62. Der Nebenschlußstrom,
der von dem Verstärker 70 gesteuert wird, fließt von der Leitung 18 zu dem Widerstand 74 und dem Transistor
82 und dann durch den Transistor 77, der das Endstromsteuerelement ist.
Ein zweiter regulierter Strompfad ist von der Leitung über die Zenerdiode 33 und parallele Widerstandspfade
mit den Transistoren 35, 36 und 39 zu der Leitung 34 geschaffen. Die Leitung 34 ist mit der Basis des Transistors
82 und dem Widerstand 81 verbunden, und diese Kombination dient zur Regulierung des Stroms durch die
Zenerdiode 33 auf einen im wesentlichen konstanten Pegel, so daß sich die Bezugsspannung, die von der Zenerdiode
33 erzeugt wird, bei erhöhtem Strom nicht erheblich
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ändert. Der Widerstand 81 kann temperaturabhängig gemacht werden, um durch Temperatur verursachte Änderungen des
Basis-Emitter-Spannungsabfalls des Transistors 82 auszugleichen.
Ein dritter Strompfad ist nicht reguliert und umfaßt die Pfade durch die Versorgungsanschlüsse für die Verstärker
12 und 70 von der Leitung 18 zu der Leitung 19.
Die Stromsteuerung, die gezeigt ist, wird ebenfalls durch zwei Stufen erreicht. Die erste Stufe umfaßt den Transistor
72, der direkt auf das Ausgangssignal des Verstärkers 70 anspricht. Der Transistor 72 erzeugt ein
Steuersignal für den Transistor 77 der zweiten Stufe, der das Endstromsteuerelement ist.
Das Signal, das auf der Leitung 65 von dem Widerstandsnetzwerk her zugeführt wird, ist das stromabhängige Ausgleichsrückkopplungssignal,
das am Eingang des Verstärkers 70 festgestellt wird, wenn der Verstärker den Strom in
dem Nebenschlußweg in Abhängigkeit von Änderungen in dem Signal auf der Leitung 11 infolge einer Änderung
des Ausgangssignals des Wandlers eingestellt hat.
Die Verwendung des erläuterten besonderen Stromregulierungskreises,
der aus dem Transistor 82 und dem Widerstand 81 besteht, ist von Vorteil, da er die notwendige
Regulierung bei minimalem Spannungsabfall bewirkt. Dies erlaubt eine höhere Rückkopplungsspannung, die über dem
Widerstand 68 und damit an dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 70 erzeugt wird, wenn er in einem
typischen Zweidraht-Steuerkreis verwendet wird, bei dem die für die Meßwertumformer-Erregung zur Verfügung stehende
Spannung minimal 12 V als üblichem Standardwertbeträgt.
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Symbol | 3O, | 73, | 80 | Wert und/oder Typ | |
Kondensatoren: | C3 | 32, | 75 | 0,022 uF | |
16 | 37, | 74 | 0,0047 uP | ||
29, | 0,1 uF | ||||
31, | 1,0 ^F | ||||
Widerstände: | 13, | 69 | 100 | ||
19 | 68 kJL | ||||
28 | 4,53 kit | ||||
35, | 13,7 kJi- | ||||
36 | 68 | 60,4 k_a | |||
40 | 3O,1 kJL | ||||
42 | 75O | ||||
67, | 2OO | ||||
71 | 680 | ||||
78 | 8,2 kJTi. | ||||
79 | 6,8 k /? | ||||
81 | 330 | ||||
Potentiometer: | 39 | 25, | 26, | 27 | 2O k-iL |
41 | 1 k-ft- | ||||
66 | 2 kJ'L | ||||
Dioden: | 23, | 1N914 | |||
33 | 1N4571A | ||||
63 | 1N4OO3 | ||||
75 | 1N747A | ||||
Transistoren: | 15 | MPS 5172 | |||
72 | 70 | 2N722 | |||
77 | 2N3O19 | ||||
82 | 2N39O3 | ||||
Verstärker: | 12, | 21 | 741C | ||
Trans formator-
Wicklungen |
14 | Rückkopplung - 5 Windungen |
|||
17 | Primärwicklung - 19 Windungen |
||||
20, | Sekundärwicklunaen - | ||||
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200 Windungen bifilar gewickelt Kern - 768 T 188 3D3 - Ferroxcube
-13- 2 b '.·--■! Ί !
Die Schaltung der Fig. 2 ist eine weitere Anordnung der Oszillatorsteuerstufe, die zur Messung einer veränderbaren
Induktivität geeignet ist. Wie gezeigt ist, wird ein Stromsignal erzeugt, das dem Reziprokwert der veränderbaren
Induktivität proportional ist. Diese Beziehung ist z.B. anwendbar, wenn die veränderbare Induktivität von einem
Drucksensor erzeugt wird, der einen magnetischen Pfad hat, der durch eine verstellbare Membran und ein stationäres
Polstück verläuft, so daß sich die Induktivität umgekehrt mit der Membranauslenkung ändert.
Ein Oszillator ähnlich dem Oszillator der Fiq. 1 hat einen
Steuerverstärker 101, der durch Verbindung mit den Leitungen 102 und 103 gespeist wird. Der Ausgang des Verstärkers
101 ist über einen Widerstand 104 mit dem Verbindungspunkt der Rückkopplungswicklung 105 und einem Kondensator 106
verbunden". Das andere Ende der Wicklung 105 ist mit dem Emitter eines Transistors 107 verbunden und die andere
Seite des Kondensators 106 ist mit der Basis des Transistors 107 verbunden. Eine Primärwicklung 108 ist zwischen
den Kollektor des Transistors 107 und die Leitung 102 geschaltet und ein Widerstand 109 ist zwischen die Basis
des Transistors 107 und die Leitung 102 geschaltet. Ein Kondensator 110 ist über die Eingänge des Verstärkers
geschaltet und ein Kondensator 111 ist zwischen den invertierenden
Eingang und den Ausgang des Verstärkers 101 geschaltet. Ein Widerstand 112 und ein Kondensator 113
sind parallel zwischen den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 101 und die Leitung 102 geschaltet. Eine
Zenerdiode 114 ist zwischen die Leitung 102 und die Leitung 1T5 geschaltet und die Diode 114 ist parallel zu der
Serienschaltung von Widerständen 116 und 117 geschaltet.
Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 116 und 117 ist mit einer Leitung 118 verbunden und eine Bezugsspannung wird somit an diesen erzeugt. Ein Nullpunkteinstellpotentiometer
119 ist zwischen die Leitungen 102 und 115 geschaltet und der Abgriff des Potentiometers
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ORIGINAL INSPECTED
ist über einen Widerstand 120 mit der Leitung 121 verbunden.
Ein Ende eines Linearisierungspotentiometers 122 ist mit dem invertierenden Anschluß des Verstärkers 1O1 und das
andere Ende des Potentiometers 122 ist über einen Widerstand 123 mit der Leitung 121 verbunden. Die Beschreibung
der Schaltung und deren Arbeitsweise ist bis zu diesem Punkt gleich der der Schaltung der Fig. 1 und die Leitungen
102, 121, 118, 115 und 103 entsprechen den Leitungen
18, 11, 38, 34 und 19 der Fig. 1. Die Anschlüsse 102A, 121A, 118A, 115A und 103A dienen zum Anschluß der
Ausgangsstufe 60 der Fig. 1 anstelle der Anschlüsse 18A, 11A, 38A, 34A und 19A.
Um die erforderliche Funktion ausgehend von einer sich ändernden Induktivität zu erzeugen, erfordern jedoch die
Induktivitäten und die zugehörigen Gleichrichterkreise Änderungen der Schaltung im Vergleich zu den veränderbaren
und festen Kondensatoren C^ und C2 der Fig. 1.
Eine einzige Sekundärwicklung 124 ist zwischen die Leitung 102 und den Verbindungspunkt der Gleichstrom-Koppelkondensatoren
125 und 126 an deren einer Seite geschaltet. Die andere Seite des Kondensators 126 ist mit dem einen
Ende einer Induktivität L. und die zweite Seite des Kondensators
125 ist mit dem einen Ende einer Induktivität L- verbunden. Das andere Ende der Induktivität L1 ist mit
der Kathode einer Diode 127 und der Anode einer Diode
verbunden. Die Kathode der Diode 128 ist mit der Leitung 102 verbunden und die Anode der Diode 127 ist mit dem
invertierenden Anschluß des Verstärkers 101 verbunden. Das andere Ende der Induktivität L~ ist mit der Kathode
einer Diode 129 und mit der Anode einer Diode 130 verbunden. Die Kathode der Diode 130 ist mit der Anode der
Diode 127 und die Anode der Diode 129 ist mit dem nicht invertierenden Anschluß des Verstärkers 101 verbunden.
Ein Bypass-Kondensator 131 ist zwischen die Leitung 102
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und den nicht invertierenden Anschluß des Verstärkers 1O1
geschaltet und ein weiterer Kondensator 132 ist parallel zu der Sekundärwicklung 124 geschaltet, um die Resonanzfrequenz
festzulegen.
Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist der der Fig. 1 darin gleich, daß Wechselstromimpedanzen von einem Oszillatorkreis
erregt werden und Gleichrichterkreise Wechselspannungssignale proportional den Induktivitäten liefern. Bei
diesem Beispiel fließt ein Gleichstrom i durch die Dioden
KV
129 und 130 und i. = —-—, wobei V die Spitzenspannung
129 und 130 und i. = —-—, wobei V die Spitzenspannung
4 1*2
der Wicklung 124 und K eine Funktion der Frequenz und des Verlaufs der Spannung ist. In ähnlicher Weise fließt ein
•try
Strom i,- = —£— durch die Dioden 127 und 128. Ein Strom
5 L2
i,, der durch den Widerstand 123 und das Potentiometer
fließt, gibt den unterschied zwischen ij. und i, wieder und
11
beträgt i, = KV (-=r =^—) . Der Strom durch den Widerstand
ο L-] L2
112 ist ebenfalls i. und es ergibt sich, wenn man sich
daran erinnert, daß die Spannung an dem invertierenden Anschluß des Verstärkers 101 V1 ist,
KV V1
L2 R112
Setzt man diesen Ausdruck in den Ausdruck für ig, so ergibt sich:
- V1L2 1 -, _ V1 L2
6 R112 L-, L2 R112 L1
was das gewünschte Stromsignal als Funktion der veränderbaren Induktivität L1 ist und dem Signalstrom i.. der Fig.
entspricht. Wenn eine lineare Beziehung zwischen einer Induktivität und ig erwünscht ist, kann L2 als veränderbare
Induktivität gewählt werden. Wenn die differentielle Auslenkung an einer Druckmembran gemessen werden soll,
und man wiederum annimmt, daß die Auslenkung zu der Induktivität umgekehrt in Beziehung steht, könnte dies
609830/0559
ie - 2 55-157
auch mit geringen Schaltungsänderungen erreicht werden,
die eine andere Kombination des gleichgerichteten Stroms ergibt, so daß ifi ^ X1 . X„, wobei X-, die Auslenkung
entsprechend. L., und X2 die Auslenkung entsprechend L2
ist.
609830/0559
ORIGINAL INSPECTED
Claims (17)
- - 17 - .'..■■■ OAnsprücheZweidraht-Meßwertumformer zur Erzeugung eines Gleichstromsignals proportional einem zu messenden Zustand, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Anschluß zum Anschluß an eine Gleichstromquelle (91), ein Widerstandsnetzwerk (64), das mit dem ersten Anschluß verbunden ist, eine Stromsteuereinrichtung in Reihe zu dem Widerstandsnetzwerk (64), die mit dem zweiten Anschluß verbunden ist und die eine erste Einrichtung aufweist, die mit dem Widerstandsnetzwerk verbunden ist, um einen Stromnebenschlußpfad zwischen dem Netzwerk und dem zweiten Anschluß zu bilden, einen Verstärker (70) mit einem Eingang und einem Ausgang, dessen Ausgang mit der ersten Einrichtung verbunden ist, um den Strom durch den Nebenschlußpfad in Abhängigkeit von einem Signal an dessen Eingang zu steuern, und weiterhin eine zweite Einrichtung, die mit dem Widerstandsnetzwerk (64) und dem Verstärker (70) verbunden ist, um an dem Eingang des Verstärkers ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion des Stromes durch das Netzwerk ist, durch eine Eingangsstufe (10), die wenigstens zwei getrennte Strompfade bildet, von denen wenigstens einer ein regulierter Strompfad ist, die einen Wandler zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von einem zu messenden Parameter aufweist und mit dem Widerstandsnetzwerk (64) und der Stromsteuereinrichtung (60) verbunden ist, um dem Wandler einen Erregerstrom und ein Bezugssignal zuzuführen, und dadurch, daß die Stromsteuereinrichtung (60) eine Einrichtung zur Regulierung des Stroms in dem regulierten Strompfad aufweist, die einen Transistor (82) mit Basis, Kollektor und Emitter aufweist, der so geschaltet ist, daß er zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter einen Teil des Stromes durch den Nebenschlußpfad führt, sowie einen Widerstand (81) enthält, der zwischen die Basis und den Emitter des Transistors (82) geschaltet ist, wobei der regulierte Strompfad mit der Basis dieses Transistors verbunden ist,3 dieses Transist
6Q9830/055BORIGINAL INSPECTED18 - 7 5Γ: Π 1 5daß die Eingangsstufe (10) eine Einrichtung aufweist, um dem Eingang des Verstärkers (70) ein Ausgangssignal zuzuführen, das eine Funktion des zu messenden Parameters und des Bezugssignal ist, so daß der Verstärker den Strom durch den Nebenschlußpfad und die zweite Einrichtung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Eingangsstufe einstellt. - 2. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (10) einen Oszillator zur Erzeuaung eines Wechselspannungssignals an dem Wandler aufweist.
- 3. Meßwertumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen Steuerverstärker (12) aufweist, der ein Eingangssignal erhält, das eine Funktion des von dem Wandler erzeugten Signals ist.
- 4. Meßwertumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einem Reaktanzwandler mit veränderbarer Reaktanz besteht,der auf einen zu messenden physikalischen Zustand anspricht, und daß der Oszillatorausgang mit dem Reaktanzwandler verbunden ist.
- 5. Meßwertumformer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Gleichrichtereinrichtung, die die Signale des Reaktanzwandlers in Gleichspannungssignale umwandelt, die das Ausgangssignal der Eingangsstufe bilden.
- 6. Meßwertumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen Steuerverstärker (12) aufweist, und daß die Gleichrichtereinrichtung mit dem Eingang des Steuerverstärkers verbunden ist.
- 7. Meßwertumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktanzwandler aus einem veränderbaren Kapazitätselement (C.) besteht.609830/0559
ORIGINAL INSPECTED255-157 - 8. Meßwertumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktanzwandler aus einem Magnetwiderstandselement (L1) besteht.
- 9. Meßwertumformer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des veränderbaren Kapazitätselements (C1) bei einer Zunahme der Größe des zu messenden Parameters abnimmt.
- 10. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der regulierte Strompfad eine Zenerdiode (75) aufweist, die zwischen die Basis des Transistors und das Netzwerk (64) geschaltet ist.
- 11. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesonderte Strompfad, der nicht der regulierte Strompfad ist, ein unregulierter Strompfad zur Versorgung des Wandlers ist.
- 12. Meßwertumformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußpfad einen Stromverstärker (12) enthält, der den Strom von den getrennten Strompfaden und dem Nebenschlußpfad aufnimmt.
- 13. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (70) ein Funktionsverstärker mit zwei Eingängen ist, daß an einen der Eingänge eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals angeschlossen ist, daß die zweite Einrichtung mit dem anderen Eingang des Funktionsverstärkers verbunden ist, und daß der andere Eingang auch das Ausgangssignal der Eingangsstufe (10) empfängt.
- 14. Meßwertumformer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuereinrichtung (60) einen Transistor aufweist, dessen Basis mit dem Ausgang des Funktionsverstärkers verbunden ist, und daß in seinem Kollektor-609830/0559ORIGINAL INSPECTEDEmitter-Kreis Strom von den getrennten Strompfaden und dem Nebenschlußpfad fließt, um den Strom durch den Nebenschlußpfad in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Funktionsverstärkers zu steuern.
- 15. Meßwertumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen Oszillatorsteuerverstärker (12) mit einem Eingang aufweist, daß mit dem Reaktanzwandler eine Einrichtung zur Erzeugung eines pulsierenden Gleichstromausgangssignals aus dem Signal des Wandlers als Funktion dessen Reaktanz verbunden ist, und daß der Ausgang des Reaktanzwandlers mit dem Eingana des Oszillatorsteuerverstärkers verbunden ist.
- 16. Meßwertumformer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktanzwandler aus einem veränderbaren Kondensator mit einem Kapazitätswert (C1), einem Bezugskondensator mit einem Kapazitätswert (C.,), einer Einrichtung zur Verbindung des Oszillators mit den beiden Kondensatoren, und einer Einrichtung zur Verbindung der Kondensatoren besteht, um das Ausgangssignal der Eingangsstufe (10) als Signal abzugeben, das der Größe C2/C1 ~ 1 proportional ist.
- 17. Zweidraht-Meßwertumformer zur Erzeugung eines Gleichstromsignals, das einem zu messenden Zustand proportional ist, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Anschluß zur Verbindung mit einer Gleichstromquelle (91), ein Widerstandsnetzwerk (64), das mit dem ersten Anschluß verbunden ist, eine Stromsteuereinrichtung (60) in Reihe zu dem Netzwerk (64), die mit dem zweiten Anschluß verbunden ist, und die eine erste Einrichtung, die mit dem Netzwerk verbunden ist, aufweist, um einen Stromnebenschlußweg zwischen dem Netzwerk und dem zweiten Anschluß zu bilden, einen Verstärker (70) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Ausgang mit der ersten6098 3 0/0559
ORiGIMAL INSPECTEDEinrichtung zur Steuerung des Stroms durch den Nebenschlußweg als Funktion des Signals an dessen Eingang verbunden ist, und eine zweite Einrichtung aufweist, die mit dem Widerstandsnetzwerk (64) und dem Verstärker (70)verbunden ist, um an dem Eingang des Verstärkers ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion des Stroms durch das Netzwerk ist, und eine Einqangsstufe (10), die mit dem Widerstandsnetzwerk und der Stromsteuereinrichtung verbunden ist und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals, einen Reaktanzwandler mit einer veränderbaren Reaktanz sowie einen Oszillator aufweist, wobei der Reaktanzwandler aus einem veränderbaren Kondensator mit einem Kapazitätswert (C1), einem Bezugskondensator mit einem Kapazitätswert (C~), einer Einrichtung zur Verbindung des Oszillators mit den beiden Kondensatoren, um sie mit einem Erregerstrom zu versorgen, und einer Einrichtung besteht, die mit den Kondensatoren verbunden ist, um ein Wandlerausgangssignal abzugeben, das im wesentlichen der Größe CpZC1 proportional ist, und durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines veränderbaren Signals an dem Eingang des Verstärkers (70), das eine Funktion des Wandlerausgangssignals und des Bezugssignals ist, so daß der Verstärker den Strom durch den Nebenschlußpfad und die zweite Einrichtung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Eingangsstufe (10) einstellt.609830/0559ORIGINAL INSPECTED
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