DE2558157A1

DE2558157A1 - Wandler zur umwandlung eines sich aendernden reaktanzsignals in ein gleichstromsignal

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Publication number: DE2558157A1
Application number: DE19752558157
Authority: DE
Inventors: Roger L Frick
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1976-07-22
Also published as: JPS5197454A; DE2558157C2; NO141819B; FR2298113A1; JPS6019039B2; NO141819C; FR2298113B1; NO760112L; US3975719A; GB1529084A; DE2560685C2; HK83579A; CA1068375A

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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- 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 V_n und eine Verbindungsschaltung zur Erzeugung einer gewünschten Funktion zwi-

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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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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 R}28

und die Oszillatorsteuerung ergibt die Gleichung

fV = -pr4 ... (2)

^C1^R28

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 i_o + i. bzw. i_o + fV(C_o-C,) und da fv = -—-1

kann dieser Strom ausgedrückt werden durch:

^C2 Die Spannung V. hängt etwas von —— ab, da V. = V_R +

(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 V_n 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 I_T 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 I_T 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 = I_TR₂ + V_R, wobei _ _ ^R68 ^(R66 ^{+ R}67^}

^{Z R}66 ^{+ R}67 ^{+ R}68

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 R}28^Rz ^{V C}1 ' ^{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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TABELLE

	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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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

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:

- ^V1^L2 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

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auch mit geringen Schaltungsänderungen erreicht werden, die eine andere Kombination des gleichgerichteten Stroms ergibt, so daß i_fi ^ X₁ . X„, wobei X-, die Auslenkung entsprechend. L., und X₂ die Auslenkung entsprechend L₂ ist.

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Claims

- 17 - .'..■■■ O

Ansprüche

Zweidraht-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
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18 - 7 5^Γ: Π 1 5

daß 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.

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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-

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Emitter-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 ersten

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Einrichtung 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.

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