DE2637295B2

DE2637295B2 - Elektrische Meßanordnung nach dem Zwei-Draht-Verfahren

Info

Publication number: DE2637295B2
Application number: DE19762637295
Authority: DE
Inventors: Guenter 4950 Minden Schick
Original assignee: Schoppe & Faeser 4950 Minden GmbH
Current assignee: Schoppe & Faeser 4950 Minden GmbH
Priority date: 1976-08-19
Filing date: 1976-08-19
Publication date: 1981-01-08
Also published as: DE2637295A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Meßanordnung nach dem Zwei-Draht-Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Eine Meßanordnung dieser Art ist durch die DE-AS 19 51 523 bekannt. Diese Meßanordnung erlaubt nur eine lineare Umformung der der zu messenden Größe entsprechenden elektrischen Zwischengröße in einen eingeprägten Ausgangsstrom. Soll unter Verwendung einer derartigen Meßanordnung aus dem Differenzdruck der Durchfluß ermittelt und an einem Anzeigegerät mit linearer Teilung angezeigt werden, so ist in der Warte ein zusätzliches radizierendes Rechengerät zwischen die Ausgangsleitung der Meßanordnung und das Anzeigegerät zu schalten.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Zwei-Draht-Meßanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Umformung der der zu messenden Größe entsprechenden elektrischen Zwischengröße in einen eingeprägten Ausgangsgleichstrom ermöglicht, dessen variabler Anteil der Quadratwurzel aus der elektrischen Zwischengröße linear folgt und — als Zweipol — einen möglichst geringen Eigenverbrauch aufweist

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet und wird anhand des Ausführungsbeispieles näher erläutert

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Meßanordnung,

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild des Stromreglers und des Hilfsspannungsgebers,

F i g. 3 ein Prinzipschaltbild der Radiziereinrichtung,

Fig.4 ein Prinzipschaltbild des Spar.nungs/Strom-Wandlers und

Fig.5 ein Prinzipschaltbild des in Fig.2 symbolisch dargestellten astabilen Multivibrators.

In der F i g. 1 ist die erfindungsgemäße Meßanordnung als Blockschaltbild dargestellt Die Meßanordnung kann als Zweipol mit den Anschlußpunkten 1 und 2 betrachtet werden. Die Anschlußpunkte 1 und 2 sind Ober eine in der F i g. 1 nicht dargestellte zweiadrige Leitung mit der Meßwarte verbunden. Über die zweiadrige Leitung fließt ein eingeprägter Gleichstrom, der im folgenden als Ausgangsstrom /bezeichnet ist Ein Meßwertaufnehmer 3, z. B. ein Differenzdruckmeßgerät mit einem nachgeschalteten Differentialtransformator für die Messung des Durchflusses (wie in Fig.2 der DE-AS 19 51 523), formt die zu messende Größe in eine elektrische Zwischengröße, die Spannung Ua um. Ein Anpassungsverstärker 4 mit einem Differenzverstärker 4a und einem Gegenkopplungspotentiometer 4b dient zur Anhebung des Spannungspegets. Ais positive Versorgungsspannung für den Differenzverstärker 4a dient die Spannung + U\ und als negative Versorgungsspannung die Spannung -U₃. Die Erzeugung der Spannungen + U\ und — U) ist weiter unten im Zusammenhang mit der Fig.2 beschrieben. Das Gegenkopplungspotentiometer 4b erlaubt die Einstellung der gewünschten Meßspanne. Die Ausgangsspannung Ue des Anpassungsverstärkers 4 ist einer elektronischen Radiziereinrichtung 5 zugeführt, deren Ausgangsspannung Ua einen Spannungs/Strom-Wandler 6 zugeführt itt. Der Spannungs/Strom-Wandler 6 steuert den Strom h zwischen 0... 16 mA entsprechend 0... 100% der zu messe .iden Größe, bei der es sich — wie oben angegeben — um den Durchfluß handelt, aus. Der Ausgangsstrom / setzt sich aus dem entsprechend dem jeweiligen Wert der zu messenden Größe zwischen 0... 16 mA veränderlichen Strom I\ und einem konstan ten Strom h in Höhe von 4 mA zusammen, den der Stromregler 7 aus dem Ausgangsstrom / ableitet Der konstante Strom h entspricht somit dem Nuilsignal der Meßanordnung. Der konstante Strom /_z fließt über einen Hilfsspannungsgeber 8, der — wie durch die von ihm ausgehenden Strichlinien symbolisiert — den Meßwertaufnehmer 3, den Anpassungsverstärker 4, die Radiziereinrichtung 5, den Spannungs/Strom-Wandler 6 und den Stromregler 7 mit den für den Betrieb der Meßanordnung erforderlichen Hilfsspannungen ver sorgt Einzelheiten des Hilfsspannungsgebers 8 werden im folgenden anhand der F i g. 2 erläutert

Die F i g. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild des Stromreglers 7 und des Hilfsspannungsgebers 8. Gleiche Bauelemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeiohen versehen. Der Stromregler 7 weist einen als Vergleicher dienenden Differed verstärker 9 auf, dessen mit »+« bezeichneten nicn'üi vertierenden Eingang eine Referenzspannung Urct und dessem mit »—« bezeichneten invertierenden Eingang die an einem Meßwiderstand 10 abfallende Spannung Um zugeführt ist Der Ausgang des Differenzverstärkers 9 ist mit dem Steuereingang eines Feldeffekttransistors 11 verbunden, der als steuerbarer Widerstand dient Der Strom h stellt sich so ein, daß der von ihm an dem Meßwiderstand 10 verursachte Sparjiungsabfall U_M gleich der Referenzspannung U_n/ ist Der Hilfsspannungsgeber 8 weist einen Spannungsregler 12 auf, dessen Stellglied, der Transistor 13, parallel zu den von dem Hilfsspannungsgeber 8 versorgten Verbrauchern liegt Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 12 ist die Spannung Uu Die Widerstände 14 und 15 bilden einen Spannungsteiler, dessen äußeren Anschlußpunkten die Summenspannung U\ + U^ zugeführt ist Der Verbindungspunkt der Widerstände 14 und 15 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 16 verbunden, dessen Ausgang die Basis des Transistors 13 ansteuert daß die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärker.; 16 zu Null wird. Die Spannung U₁ auf der Leitung 17 ist dann gleich der Spannung des Verbindungspunktes der Widerstände 14 und 15, und es gilt die folgende Beziehung:

U-U ^Ul-^U"'

^R14

Bei gegebener Referenzspannung U„f ergibt sich somit die Ausgangsspannung U\ des Spannungsreglers 12 aus der Dimensionierung der Widerstände 14 und 15.

Ein astabiler Multivibrator 18 bildet zusammen mit acht Dioden 19 bis 26 und sechs Kondensatoren 2/ bis 32 einen Gleichspannungswandler 33. Ein Prinzipschaltbild des astabilen Multivibrators 18 zeigt die F i g. 5. Der obere und der untere Anschluß des astabilen Multivibra tors 18 dienen zur Zuführung der Versorgungsspannung Uu während an dem rechten und dem linken Anschluß des Multivibrators 18, den Anschlüsser A\ und A7, gegensinnige Ausgangsimpulse anstehen. Die Ausgangsimpulse des astabilen Multivibrators 18 werden

1,5 über die Kondensatoren 27 und 28 sowie 30 und 3f ausgekoppelt und durch die Dioden 19 bis 22 bzw. 23 bis 26 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird durch die Kondensatoren 29 bzw. 32 gestaltet. Die am

Kondensator 29 anstehende Spannung ist gleich der Spannung U\ vermindert um die im folgenden mit Ud bezeichnete Durchlaßspannung der Dioden 19 bis 22. Die an dem Kondensator 29 anstehende Spannung ist auf die geregelte Spannung U\ aufgestockt, d. h. für die auf das Null-Potential bezogene Spannung U₂ gilt:

U₇ = t/, + (Ut -IUd)-I (Uy - Ud).

Die Spannung Ui dient als Versorgungsspannung für die Differenzverstärker 9 und 16 sowie für den in Referenzspannungsgeber 34, wobei die minimal zulässige Betriebsspannung für den Stromregler 7, nämlich die an dem Feldeffekttransistor 11 abfallende Spannung zuzüglich der an dem Meßwiderstand 10 abfallenden Spannung Um, kleiner sein kann als die als Versorgungs- ι -> spannung für den Differenzverstärker 9 dienenden Spannung Ui. Die an dem Kondensator 32 anstehende Spannung ist gleich der Spannung U\ vermindert um die rinrpKjaRcnanniinn Π·/1αι· Πίη^Αη ?1 Kic Tu ΓΛίο in /lom Kondensator 32 anstehende Spannung hat gegenüber _>n der geregelten Spannung U\ negatives Vorzeichen, und für die auf das Null-Potential bezogene Spannung — I Ί gilt:

-U₃=-(U_t-2U_d).

Aus der geregelten Spannung U\ leitet ein Differenzverstärker 35, dessen invertierender Eingang mit dem Verbindungspunkt zweier Widerstände 36 und 37 verbunden ist, eine geregelte Spannung Ut mit negativem Vorzeichen ab. Für die auf das Null-Potential jn bezogene Spannung — ίΛ gilt:

wurde. Die Höhe der Spannung - Ua ist so bemessen, daß unter Berücksichtigung der Bewertungswiderstände 41 und 49, unabhängig von dem jeweiligen Wert der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 40, im leitenden Zustand des Schalters 45 eine Umkehr der Integrationsrichtung des Integrators 42 erfolgt. Die Bewertungswiderstände 41 und 49, der Integrator 42, die bistabile Schaltung 43 mit Hysterese und der von ihr gesteuerte Schalter 45 bilden einen Impulsbreitenmodulator. Das Schaltverhältnis α des Schalters 45 stellt sich so ein, daß der über den Bewertungswiderstand 49 im zeitlichen Mittel fließende Strom gleich dem über den Bewertungswiderstand 41 fließenden Strom ist. Das Schaltverhältnis <x des Schalters 45, d. h. die Zeit, in der der Schalter 45 geschlossen ist, bezogen auf die Periodendauer des Schaltvorganges, ergibt sich aus dieser Überlegung wie folgt:

U.

und somit \ =

R₄,

(A)

Da auch der Schalter 44 mit dem Schaltverhältnis α beaufschlagt ist, stellt sich die Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärkers 40 so ein, daß die folgende Beziehung gilt:

U_F

U
=■»(.'< und somit \ = —

(B)

Setzt man die Beziehungen (A) und (B) gleich, so zeigt sich, daß die Spannung Ua proportional der Quadratwurzel aus der Spannung

Als positive Versorgungsspannung für den Differenzverstärker 35 dient die Spannung U\ und als negative Versorgungsspannung die Spannung - Ui.

Die F i g. 3 zeigt die Radiziereinrichtung 5, der an dem Schaltungspunkt 38 die Spannung Ue als Eingangsspannung zugeführt ist. An dem Schaltungspunkt 39 steht die Spannung Ua als Ausgangsspannung der Radiziercinrichtung 5 an. Die Spannung Ua ist der Quadratwurzel aus der Spannung Ue proportional. Die Radiziereinrichtung 5 weist einen Differenzverstärker 40 auf, dessem nichtinvertierenden Eingang die Spannung t/fzugeführt ist. Als positive Versorgungsspannung für den Differenzverstärker 40 dient die Spannung + U\ und als negative Versorgungsspannung die Spannung —1/3, deren Erzeugung anhand der F i g. 2 bereits beschrieben wurde. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 40 ist gleichzeitig die Ausgangsspannung U_A der Radiziereinrichtung 5. Über einen ersten Bewertungswiderstand 41 ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 40 einem Integrator 42 zugeführt, dem eine bistabile Schaltung 43 mit Hysterese nachgeschaltet ist. Die bistabile Schaltung 43 mit Hysterese steuert zwei Schalter 44 und 45. Der Schalter 44 verbindet im leitenden Zustand den Ausgang des Differenzverstärkers 40 über einen Widerstand 4€ mit seinem eo invertierenden Eingang. Der Widerstand 46 bildet zusammen mit einem der wahlweise einsetzbaren und mit Strichlinien dargestellten Kondensatoren 47 oder 48 ein im Eingang des Differenzverstärkers 40 liegendes Siebglied. Der Schalter 45 führt im leitenden Zustand dem integrator 42 über einen weiteren Bewcrttingswiderstand 49 die konstante Spannung — Ua, zu, deren Erzeugung anhand der Fig.2 bereits beschrieben ¹Ia.
U,

R₄₉

Ua =

u_t =

I «■'£■

Da die Spannung (Λ — wie oben beschrieben — auf einen konstanten Wert geregelt ist und die Widerstände Ra\ und Rt<) konstant sind, gilt:

(C)

Ic — \/U fs*L·

Die F i g. 4 zeigt das Prinzipschaltbild des Spannungs/ Strom-Wandlers 6. Die Spannung Ua ist dem Spannungs/Strom-Wandler 6 als Eingangsspannung zugeführt und auf den nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstirkers: 50 geschaltet Als positive Versorgungsspannung für den Differenzverstärker 50 dient die Spannung + U\ und als negative Versorgungsspannung die Spannung — L/3, deren Erzeugung anhand der F i g. 2 bereits beschrieben wurde. Der Ausgang des Differenz-Verstärkers 50 steuert eine Endstufe 51 an, über die der variable Strom L fließt Dieser Strom fließt auch über den Gegenkopphmgswiderstand 52. Die an ihm abfallende Spannung ist über einen weiteren Widerstand 53 auf den invertierenden Eingang des Differenz-

Verstärkers 50 geschaltet. Durch diese Maßnahme folgt der variable Strom l\ proportional der Spannung U.\.

Bei radizierenden Meßumformern wird aus mechanischen Gründen oft gewünscht, daß der Ausgangswert, also der variable Strom /i. schlagartig den Wert Null '· annimmt, wenn er einen vorgegebenen Schwellwert, der z. B. 5% des maximal möglichen Wertes beträgt, unterschreitet. Eine derartige Einrichtung wird auch als »Nuhiücker« bezeichnet. Zur Erfüllung der obigen Forderung wird die Spannung Ua auf den invertieren- in den Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 54 geschaltet, der zusammen mit den Widerständen 55, 56 und 57 einen Schwellwertschalter mit geringer Hysterese bildet. Die Widerstände 56 und 57 bilden einen von der Spannung + U\ versorgten Spannungsteiler. Als ι'> positive Versorgungsspannung für den Differenzverstärker 54 dient die Spannung + U\ und als negative VersorgungsspannunK die Spannung - U>. Die Erzeugung der Spannungen + U\ und — U\ wurde anhand der F i g. 2 bereits beschrieben. Der Ausgang des Differenz- -< > Verstärkers 54 ist über einen Widerstand 58 und eine Diode 59 mit dem Verbindungspunkt zweier Dioden 60 und 61 verbunden. Die Reihenschaltung der Dioden 60 und 61 liegt zwischen dem als Bezugspotential dienenden Null-Potential und dem invertierenden -·"· Eingang des Differenzverstärkers 50. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 54 wechselt ihre Polarität, wenn die Spannung Ua, die durch die Dimensionierung der Widerstände 56 und 57 unter Berücksichtigung der Höhe der Spannung + U₁ jo bestimmte Schwelle des Schwellwertschalters über- bzw. unterschreitet. Überschreitet die Spannung LU die Schwelle des Schwellwertschalters, so steht am Ausgang des Differenzverstärkers 54 eine negative Spannung, die aufgrund der Sperrwirkung der Diode 59 nicht wirksam werden kann. Möglicherweise auftretende Leckströme der Diode 59 werden über die Diode 60 abgeleitet. Unterschreitet die Spannung Ua die Schwelle des Schwellwertschalters, so wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 54 positi\ üe Dioden 59 und 61 leiten, die Diode 60 sperrt. Somit wird die Spannung am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 50 positiver als diejenige am nichtinvertierenden Eingang; die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 50 wird negativ und sperrt die Endstufe 51. Durch schwache positive Rückkopplung über den Widerstand 55 verläuft einerseits der Umschaltvorgang des Schwellwertschalters schnell und der Differenzverstärker 54 erhält andererseits eine geringe Hysterese, die ein Pendeln um den Abschaltpunkt verhindert. Steigt die Spannung Ua über die Schwelle des Schwellwertschalters an, so wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 54 wieder negativ und damit der Nullrücker wirkungslos.

Fig. 5 zeigt das Prinzipschaltbild des in Fig. 2 symbolisch dargestellten astabilen Multivibrators 18. An den Schaltungspunkten 62 und 63 wird dem astabilen Multivibrator 18 die Versorgungsspannung + U\ zugeführt. Die Schaltungspunkte A\ und A2 bilden die beiden Ciegentaktausgänge des astabilen Multivibrators 18. Die Dioden 64 und 65 sorgen für ein sicheres Anschwingen ues astabilen Multivibrators 18 beim Einschalten der Meßanordnung.

Hierzu 5 Watt Zcichiiiinucn

Claims

Patentansprüche:

1, Elektrische Meßanordnung nach dem Zwei-Draht-Verfahren,

a) deren Ausgangsgröße ein eingeprägter Gleichstrom (Ausgangsstrom) ist, der zur Versorgung der Meßanordnung mit Hilfsenergie dient und dessen Höhe ein Maß für die zu messende Größeist, ίο

b) mit einem Meßwertaufnehmer, der eine der zu messenden Größe proportionale elektrische Zwischengröße liefert, und

c) mit einer Einrichtung, die die für den Betrieb der Meßanordnung erforderlichen Hilfsspannungen ι -. aus dem Ausgangsstrom ableitet (Hilfsspannungsgeber),

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

d) ein Stromregler (7) bildet mit einer Hilfsspannungsgeberanordnung(8) eine Reihenschaltung und leitet aus dem Aüägängssirom μ" einen dem Nullsignal entsprechenden konstanten Strom

e) der Stromregler (7) weist einen Differenzverstärker (9) auf, dessen einem Eingang eine Referenzspannung (Un>) und dessen anderem Eingang die an einem Meßwiderstand (10) abfallende Spannung (Um) zugeführt ist, während der Ausgang des Differenzverstärkers (9) mit einem steuerbaren Widerstand (11) verbunden ist

f) die Hilfsspannungsgeberanordnung (8) enthält einen Spannungsregler ~;12), dessen steuerbarer Widerstand (13) pnralle¹ zu den von der Anordnung (8) versorgten /erbrauchern liegt;

g) die Hilfsspannungsgeberanordnung (8) weist einen von der geregelten Spannung (Ui) versorgten Gleichspannungswandler (33) auf, wobei die von dem Gleichspannungswandler (33) erzeugten Spannungen auf die Ausgangsspannung (Ut) des Spannungsreglers (12) aufgestockt sind;

h) die Ausgangsspannung (U\) des Spannungsreglers (12) dient zusammen mit einer der aufgestockten Spannungen als Versorgungsspannung (Uj) für den Differenzverstärker (9) und einen Referenzspannungsgeber (34), der die Referenzspannung (Uni) für den Stromregler (7) liefert;

i) die elektrische Zwischengröße (Uc) des Meßwertaufnehmers (3) ist einem Anpassungsverstärker (4) zugeführt;

j) der Ausgang (Ue) des Anpassungsverstärkers (4) ist an eine Radiziereinrichtung (5) angeschlossen;

k) die Radiziereinrichtung (5) weist einen ersten Differenzverstärker (40) auf, dessen nichtinvertierendem (+) Eingang die Ausgangsspannung (Ue) des Anpassungsverstärkers (4) zugeführt ist;

I) der Ausgang des ersten Differenzverstärkers (40) ist über einen ersten Bewertungswiderstand (41) mit einem Integrator (42) verbunden, dem eine bistabile Schaltung (43) mit Hysterese b5 nachgeschaltet ist, deren Ausgangssignal zwei Schalter (44, 45) steuert, von denen der erste (44) im leitenden Zustand die Ausgangsspannung (UaJ des ersten Differenzverstärkers (40) über ein Siebglied (46,47 bzw. 46,48) auf seinen invertierenden Eingang (—) schaltet und von denen der zweite (45) im leitenden Zustand dem Integrator (42) über einen zweiten Bewertungswiderstand (49) eine der Ausgangsspannung des ersten Differenzverstärkers (40) entgegengerichtete, konstante Spannung (— i/₄) zuführt, deren Höhe so bemessen ist, dnß unter Berücksichtigung der Bewertungswiderstände (41, 49), unabhängig von dem Betrag der Ausgangsspannung des ersten Differenzverstärkers (40), im leitenden Zustand des zweiten Schalters (45) «ine Umkehr der Integrationsrichtung erfolgt;

m) die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (40) dient als Ausgangsspannung (U_A, 39) der Radiziereinrichtung (5); η) ein Spannungs/Strom-Wandler (6) formt die Ausgangsspannung (Ua) der Radiziereinrichtung (5) in einen Strom um, der als variabler Strom (I\) zusammen mit dem konstanten Strom (I₂) den Ausgangsstrom (I) bildet 2. Elektrische Meßanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ferner

a) der Spannungs/Strom-Wandler (6) einen zweiten Differenzverstärker (50) aufweist, dessen nichtinveruerendem Eingang die Ausgangsspannung (Ua) der Radiziereinrichtung (5) zugeführt ist und dessen Ausgangssignal eine Endstufe (51) ansteuert;

b) der über die Enstufe fließende Strom (h) über einen Gegenkopplungswiderstand (52) fließt und die an dem Gegenkopplungswiderstand (52) abfallende Spannung dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (50) zugeführt ist;

c) zwischen dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (50) und dem Bezugspotential des SpataiOgs/Strom-Wandlers (6) die Reihenschaltung aus zwei Dioden (60,61) angeordnet ist, deren Verbindungspunkt über eine dritte Diode (59) mit dem Ausgang eines Schwellwertschalters (54, 55, 56, 57) mit geringer Hysterese verbunden ist, dessen Eingang die Ausgangsspannung (Ua) der Radiziereinrichtung (5) zugeführt ist und dessen Ausgangsspannung die Polarität wechselt, sobald die Eingangsspannung (Ua) die vorgegebene Schweife über- bzw. unterschreitet;

d) die Flußrichtung der drei Dioden (59 bis 60) so gewählt ist, daß dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (50), solange die Ausgangsspannung (Ua) der Radiziereinrichtung (5) die Schwelle des Schwellwertschalters (54 bis 57) unterschreitet, eine Spannung zugeführt ist, deren Polarität gleich derjenigen der seinem nichttnvertierenden Eingang zugeführten Spannung ist und deren Höhe größer als die Schwelle des Schwellwertschalters (54 bis 57) ist, und daß dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (5Ö), solange die Ausgangsspannung (Ua) der Radiziereinrichtung (5) die Schwelle des Schwellwertschalters (54 bis 57) überschreitet, keine zusätzliche Spannung zugeführt ist.