DE2560685C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweidraht-Meßwertumformer, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiger Meßwertumformer ist aus der DE-OS 19 51 523 bekannt. Bei diesem Meßwertumformer werden veränderliche Widerstände und Induktivitäten verwendet, um den mechanischen Meßwert in elektrische Größen umzuwandeln. Die Genauigkeit wie auch die Ansprechempfindlichkeit und -schnelligkeit derartiger Sensoren läßt jedoch in bestimmten Fällen zu wünschen übrig.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen hinsichtlich der Ansprechempfindlichkeit verbesserten Zweidraht-Meßwertumformer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, wobei dennoch ein lineares und exaktes Abfassen der Meßwerte möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch gelöst.

Besonders günstig ist die Zusammenschaltung des gleichermaßen von einem Oszillator gespeisten veränderlichen Kondensators und des Bezugskondensators zur Abgabe eines der Größe (C₂/C₁ -1) proportionalen Ausgangssignals über den Reaktanzwandler. Hierdurch fallen kleinste Kapazitätsänderungen des veränderlichen Kondensators C₁ meßwertbestimmend ins Gewicht. Gegenüber an sich bekannten kapazitätsgesteuerten Meßwertumformern weist der erfindungsgemäße Zweidraht-Meßwertumformer eine vergleichsweise geringe Anzahl von erforderlichen Bauelementen und eine verbesserte Meßgenauigkeit auch bei geringen Betriebsspannungen auf.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale sind in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Die einzige Figur der Zeichnung eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung, die den Strom, der der Schaltungsanordnung zugeführt wird, als Funktion eines veränderbaren Kondensators steuert.

Die bevorzugte Ausführungsform ist im einzelnen in der Figur gezeigt, in der C₁ einen Kapazitätsdrucksensor mit nur einem aktiven Kondensator darstellt. Bei solch einem Drucksensor, wie er in der DE 25 14 511 A1 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 C₁ 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.

Die Figur zeigt die vollständige Schaltung, die aus drei Hauptteilen besteht, die durch gestrichelte Linien getrennt und allgemein als Eingangskreis 10, Stromregler 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_R und eine Verbindungsschaltung zur Erzeugung einer gewünschten Funktion zwischen C₁ und einem Gleichspannungsausgangssignal auf einer Leitung 11.

Der Oszillator bewirkt eine wiederholte Ladung und Entladung der Kondensatoren C₁ 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 Koppelwiderstand 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 17 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 C₁ 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 oder 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 25 (sie leitet Strom von C₁ her) mit der einen Seite des Kondensators C₁ verbunden. Das eine Ende der Wicklung 21 ist auch über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 26 mit der einen Seite des Kondensators C₂ verbunden. Die eine Seite des Kondensators C₂ ist auch über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 27 mit der Leitung 18 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C₂ 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 C₁ und C₂ 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 fVC₁, wobei die 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 fVC₂. 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 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

und die Oszillatorsteuerung ergibt die Gleichung

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 V_R 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 i₁ 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: i₁=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 ist somit i₂+i₁ bzw. i₂+fV(C₂-C₁), und da fV=V₁/C₁R₂₈ kann dieser Strom ausgedrückt werden durch

Die Spannung V₁ hängt etwas von C₂/C₁ ab, da V₁=V_R+i₁ (R₄₁+R₄₂) unter der Annahme, daß die Spannung auf der Leitung 11 im wesentlichen gleich der Spannung V_R 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 C₁ 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 C₂/C₁ proportional ist und der Nullpunkteinstellungs- und Linearisierungseigenschaften hat. Die Bezugsspannung bzw. feste Spannung V_R wird auf der Leistung 38 zugeführt.

Der Stromregler 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 I_T fließt durch eine Rückleitungsschutzdiode 63 und dann über ein Widerstandsnetzwerk 64 zu der Leitung 18 mit Ausnahme eines bekannten Anteils i₃ des Gesamtstroms I_T, 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 mit Spannung versorgt, 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 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 Energieversorgung des Kreises wirksam. Ein Widerstand 79 und ein parallel geschalteter 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 den Leitungen 34 und 19 geschaltet, und ein Transistor 82 ist mit seiner Basis mit der Leitung 34 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 i₃ 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 i₃ nimmt somit dann ebenfalls mit dem Bestreben ab, die feste Spannung auf der Leitung 11 gleich der Spannung V_R auf der Leitung 38 zu halten. Auch ist i₃=i₁+i₂ und i₃R₆₉=I_TR_z+V_R, wobei

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_z ändern und seine Abnahme bewirken, jedoch würde die Beziehung zwischen i₃ und I_T proportional bleiben. Somit wirkt das Potentiometer 66 als eine Abstands- bzw. Empfindlichkeitssteuerung, da es ein Vervielfacher des Gesamtstroms I_T ist. Kombiniert man den obigen Ausdruck mit dem zuvor abgeleiteten Ausdruck für i₂ +i₁ (Gleichung 3), so ergibt sich:

wobei V₁ die zuvor beschriebene Beziehung zu V_R hat und I₂ ein Nullpunkteinstell-Strompegel ist, der über das Potentiometer 39 gewählt wird.

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_T zu bewirken. Der Kondensator C₁ wurde zwischen 82 pf und 50 pf geändert, um von Null bis zum Maximum reichende Drucksignale eines kapazitiven Drucksensors wiederzugeben, und C₂ 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 C₁ und C₁ gleich waren, und der Bereich konnte mit dem Potentiometer 66 zur Erzeugung eines Gesamtstroms von 20 mA eingestellt werden, wenn C₁ etwa 50 pF betrug. Die Linearität von I_T in Abhängigkeit von C₂/C₁ 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 72 und dann durch den Transistor 77, der das Endstromsteuerelement ist.

Ein zweiter, regulierter Strompfad ist von der Leitung 18 über die Zenerdiode 33 und parallele Widerstandspfade mit den Widerständen 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 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 Standardwert beträgt.

Tabelle 1

Claims (1)

1. Zweidraht-Meßumformer zum Erzeugen eines einem zu messenden Parameter proportionalen Gleichstromsignals, der über zwei Anschlüsse mit einer Gleichstromquelle verbindbar ist und der folgende Elemente aufweist:
   einen Stromregler (60), der ein über Leitungen (61, 62) zwischen den Anschlüssen verbundenes Widerstandsnetzwerk (64) einschließt, das ein Rückkopplungssignal erzeugt, das den zwischen den Anschlüssen fließenden Strom wiedergibt,
   einen geregelten Strompfad (18, 74, 82, 77, 62) zwischen den Anschlüssen, der von einem Verstärker (70) geregelt wird, dessen Ausgangssignal eine Stromsteuereinrichtung (72, 77) steuert, die auf den Vergleich des Rückkopplungssignals des Widerstandsnetzwerks (64) mit einem den zu messenden Parameter wiedergebenden Eingangssignal anspricht,
   einen Eingangskreis (10), der mit dem Stromregler (60) verbunden ist, um dem Verstärker (70) das Eingangssignal zuzuführen,
   wobei der Eingangskreis (10) einen Referenzsignalkreis (33, 34, 39, 40) zur Erzeugung eines Referenzsignals, einen Oszillator (14, 15, 16, 17, 19) und einen Reaktanzwandler mit veränderbarer Reaktanz (C₁, C₂, 20, 21, 23, 25, 26, 27) aufweist, der durch den Oszillator gespeist wird und der ein Ausgangssignal erzeugt, das mit dem Referenzsignal zusammengeführt wird, um das Eingangssignal für den Verstärker (70) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet,
   daß der Reaktanzwandler mit veränderlicher Reaktanz einen veränderbaren Kondensator mit der Kapazität C₁, einen Referenzkondensator mit dem Kapazitätswert C₂ und eine Steuereinheit (23, 20, 28, 12, 13) für den Oszillator aufweist, mit welcher die Oszillatorschwingung im Produkt aus ihrer Frequenz (f) und dem Spitzenwert ihrer Amplitude (V) so steuerbar ist,
   daß das Ausgangssignal des Reaktanzwandlers annähernd proportional zu der Beziehung ist.