DE2649556A1

DE2649556A1 - Servovorrichtung, insbesondere in verbindung mit einem wechselstrom- servomotor

Info

Publication number: DE2649556A1
Application number: DE19762649556
Authority: DE
Inventors: Nobuo Kaieda; Kenji Kawakami; Hiroshi Ohtsu; Yoshihiro Okano
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1975-11-13
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-05-18
Also published as: DE2649556C2; US4161678A

Description

Yokogawa Electric Works, Ltd. Möhlstraße37

D-8000 München 80

Tokio, Japan

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

Servovorrichtung, insbesondere in Verbindung mit einem

Wechselstrom-Servomotor

Die Erfindung bezieht sich auf Servoschaltungen oder -vorrichtungen zur Verwendung bei selbstabgleichenden Instrumenten und betrifft insbesondere Servovorrichtungen unter Verwendung eines Wechselstrom-Servomotors.

Bei in Form von Schaltungen ausgeführten Servovorrichtungen mit einem Wechselstrom-Servomotor wird ein Gleichspannungs-Abweichsignal zwischen dem Eingangssignal und dem Vergleichssignal durch einen Zerhacker in ein Wechselspannungssignal umgewandelt und dann durch einen Wechselstromverstärker verstärkt. Der Wechselstrom-Servomotor wird durch das verstärkte Signal angesteuert, und die Bürste bzw. der Schleifer des Schiebewiderstands des Vergleichswertgenerators wird verschoben, so daß das Gleichspannung-Abweichsignal auf Null abgeglichen wird. Bei dieser Vorrichtung ist der Zerhacker über einen Koppelkondensator an den Wechsel-

-2-

709820/0689

g649556,

- ζ 6

stromverstärker angekoppelt. Venn der Servoschleife ein Kondensator zugeordnet ist, wird die Servoschleife infolge einer Phasenverschiebung durch den Kondensator instabil. Bei den neueren Servovorrichtungen wird als Verstärker eine erhöhte Zahl an linearen integrierten Schaltkreisen (ICs) verwendet. Der lineare integrierte Schaltkreis ist ein direktkoppelnder Verstärker, der mithin in der Weise arbeitet, daß im Gleichspannungs- und Niederfrequenzbereich eine Gegen-Rückkopplung bzw. Gegenkopplung bewirkt und somit sein Verstärkungsgrad verringert wird, so daß der Verstärker für normale Wechselstrom-Verstärkungsfunktionen arbeitet. Dies macht ein Hochfrequenz-Überbrückungsfilter für den Rückkopplungskreis des linearen IC-Verstärkers erforderlich, mit dem Ergebnis, daß der Schaltungsaufbau kompliziert wird und die Servoschleife aufgrund einer Phasenverschiebung durch den Kondensator zu einer instabilen Arbeitsweise tendiert.

Bei derartigen Servovorrichtungen ist außerdem der Eingangssignal-Variationsbereich weit. Bei einem selbstabgleichenden Instrument reicht beispielsweise die Eingangsspanne bzw. der -bereich von einem Minimum von 5 mV bis zu einem Maximun von 25 V, d.h. der Maximalwert ist häufig um den Faktor 10* größer als der Mindestwert. Bei den bekannten Schaltkreisen wird eine vom Schiebewiderstand über einen Bereichseinsteil-Spannungsteiler abgenommene Spannung als Vergleichs- bzw. Bezugswert benutzt, so daß es unmöglich ist, daß der Eingangsbereich von 0 bis 100% den Punkten auf dem Schiebewiderstand entspricht. Bei einer in der Praxis verwendbaren Schaltung wird durch eine Änderung des Verhältnisses des Spannungsteilers für die Bereichseinstellung

-3-

709820/0689

der Schleifen-Verstärkungsgrad der Servoschleife verändert, wobei diese Änderung insbesondere bei einem selbstabgleichenden Instrument groß ist. Wünschenswerterweise sollte dieser Verstärkungsgrad einer Servoschleife konstant sein, weil die Nichtlinearität und die Übertragungsfunktion der Servoschleife einem dynamischen System entsprechen. Bei der Bereichseinstellung nach dem Stand der Technik mußte daher der Verstärkungsgrad des Servoverstärkers bisher sorgfältig von Hand eingestellt werden, um den Schleif en-Verstärkungsgrad nicht zu beeinträchtigen, und zwar mit dem Aufwand zusätzlicher Einstellungsbemühungen und einer vergrößerten Zahl von Schaltkreiselementen.

Weiterhin wird diese Art eines Servosystems häufig für aus einem Thermoelement gebildete thermoelektrische Thermometer sowie für aus einer Widerstandsröhre hergestellte Widerstandsthermometer verwendet. Im ersteren Anwendungsfall ist es wünschenswert, daß das Thermoelement-Ausgangssignal automatisch durch ein elektrisches Signal kompensiert wird, welches der Temperatur an der Vergleichs- oder Kaltlötstelle entspricht, weil das Thermoelement eine thermische EMK entsprechend dem Unterschied zwischen den an der Meß- oder Heißlötstelle und an der Kaltlötstelle gemessenen Temperaturen erzeugt. In Anwendungsfällen, wie dem zuletzt genannten, sollten die Widerstandsänderungen der Widerstandsröhre möglichst linear sein, obgleich diese Widerstandsänderungen gegenüber den an der Meß- oder Heißlötstelle gemessenen Temperaturen üblicherweise nicht-linear sind. Außerdem sollte ein Widerstandsthermometer frei sein vom Widerstand der Zuleitung von der Widerstandsröhre, weil sich dieser Zuleitungswiderstand häufig als Fehlerquelle bei den Messungen auswirkt.

-4-

709820/0689

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Servovorrichtung, die im Betrieb frei ist von den bisher aufgetretenen, einer Phasenverschiebung durch einen verwendeten Kondensator zuzuschreibenden Problemen und welche die wirkungsvolle bzw. wirtschaftliche Verwendung eines linearen integrierten Schaltkreises bzw. ICs als Verstärker zuläßt.

Diese Servovorrichtung soll dabei den Schleifen-Verstärkungsgrad einer Servoschleife unabhängig von der Bereichseinstellung praktisch konstant halten.

Diese Servovorrichtung soll zudem auch für ein thermoelektri· sches Thermometer geeignet sein, bei welchem die Temperatur an der Vergleichs- bzw. Kaltlötstelle des Thermoelements automatisch kompensierbar ist.

Außerdem soll sich diese Servovorrichtung auch für ein Widerstandsthermometer eignen, das wirksam die Nichtlinearität der Widerstandsröhre zu kompensieren vermag und bei dem der dem Widerstand der Zuleitung der Widerstandsröhre zuzuschreibende Einfluß wirksam kompensiert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Servovorrichtung erfindungsgemäß gelöst durch eine Eingangsschaltung mit einem direkt bzw. galvanisch koppelnden Gleichstromverstärker, der ein Eingangssignal und ein Vergleichs- bzw. Bezugssignal miteinander zu vergleichen und das Vergleichsergebnis zu verstärken vermag, durch einen Servoverstärker mit einem direkt bzw. galvanisch koppelnden Differentialverstärker mit invertierter und nicht-invertierter Eingangsklemme, wobei die

-5-

709820/0689

beiden Eingangsklemmen über getrennte Widerstände mit dem Ausgangssignal der Eingangsschaltung gespeist werden, mit einer Einrichtung zum Rückkoppeln des Ausgangssignals des genannten DifferentialVerstärkers zur invertierten Eingangsklemme über einen Widerstand und mit einem zwischen die nicht-invertierte Eingangsklemme und eine Sammelleitung eingeschalteten Schalter, durch einen vom Ausgangssignal des Servoverstärkers angesteuerten Wechselstrom-Servomotor und durch eine Einrichtung, welche den Servomotor eine Bürste bzw. einen Schleifer eines Schiebewiderstands einer Vergleichswert-Generatorschaltung verschieben und dabei den Vergleichswert mit dem Eingangssignal in Abgleich bringen läßt, wobei der Schalter des Servoverstärkers in Synchronismus mit einer Erregungsstromzufuhr zum Servomotor ein- und ausgeschaltet wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Servovorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Servovorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 bis 5 Schaltbilder anderer Servovorrichtungen gemäß der Erfindung,

Fig. 6 ein detailliertes Schaltbild einer anderen erfindungsgemäßen Servovorrichtung,

-6-

709820/0689

Fig. 7 ein detailliertes Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Servovorrichtung in Anwendung auf ein thermoelektrisches Thermometer,

Fig. 9 ein Schaltbild einer abgewandelten Servovorrichtung in Anwendung auf ein thermoelektrisches Thermometer,

Fig.10 ein Schaltbild, welches die Anwendung der erfindungsgemäßen Servovorrichtung bei einem Widerstandsthermometer zeigt, und

Fig.11 ein Schaltbild einer weiter abgewandelten Servovorrichtung in Anwendung auf ein Widerstandsthermometer.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Servovorrichtung dargestellt, die Klemmen 11 und 12, über welche eine Eingangssignal-Gleichspannung Ei anlegbar ist, ein aus Widerständen R., R₂ und Kondensatoren C^, C₂ gebildetes Filter 2 sowie einen Vergleichs- bzw. Bezugswertgenerator 3 aufweist, der durch ein Potentiometer 31, einen Pufferverstärker 32 und einen Bereichseinsteil-Spannungsteiler 33 gebildet wird. Das Potentiometer 31 besteht aus einer stabilisierten Gleichspannungsversorgung E₁, einem Schiebewiderstand R, und einem Nulleinstellwiderstand R^. Der Pufferverstärker 32 ist ein Spannungsfolger unter Verwendung eines linearen integrierten Schaltkreises OP^, wobei sein Eingang mit einer Spannung E« vom Potentiometer 31 gespeist wird und er ein Aus-

-7-

709820/0689

gangssignal durch Impedanzumwandlung liefert. Der aus Widerständen Rc und Rg bestehende Spannungsteiler 33 teilt das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 32, so daß der Bereich der Eingangssignalspannung E₁ einer 0 - 100#-Skalenlänge des Wegs des Schleifers am Schiebewiderstand R, entspricht. Beim Spannungsteiler 33 ist der Widerstandswert des Widerstands Rg variabel und derjenige des Widerstands Rc festgelegt, um die Bereichseinstellung zu ermöglichen. Der Spannungsteilpunkt P ist an. die Eingangsklemme 12 angeschlossen. Die Servovorrichtung weist weiterhin einen direkt oder galvanisch gekoppelten Gleichstromverstärker 4 mit hohem Verstärkungsgrad auf, der durch einen linearen integrierten Schaltkreis OP« gebildet ist, dessen invertierte Eingangsklemme 41 über die Widerstände R^ und R« des Filters 2 mit der Signaleingangsklemme 11 verbunden und dessen nicht-invertierte Eingangsklemme 42 an eine gemeinsame bzw. Sammelleitung 1 angeschlossen ist. Die Ausgangsklemme 43 des Gleichstromverstärkers 4 ist über einen Widerstand Ry mit dem Spannungsteilpunkt P des Spannungsteilers 33 verbunden, während der Verstärkerausgang ε über den Spannungsteiler 33 rückgekoppelt ist. Die Servovorrichtung enthält weiterhin einen Servoverstärker 5, der aus einem linearen integrierten Schaltkreis OP,, mit diesem direkt gekoppel-. ten komplementären Transistoren GL und Qp sowie einem Schalt-Feldeffekttransistor (FET) GU besteht. Eine Eingangsklemme 51 des Servoverstärkers 5 ist über einen Widerstand R_Q an die Ausgangsklemme 43 des Gleichstromverstärkers 4 und zudem über Widerstände R^ und R₁₀ an die invertierte Eingangsklemme (-) bzw. die nicht-invertierte Eingangsklemme (+) des linearen integrierten Schaltkreises OP, angeschlossen.

-8-

709820/0689

Die Ausgangsklemme des linearen Schaltkreises OP, ist über einen Widerstand R₁, mit der Basisschaltung der Transistoren Q₁ und Q₂ verbunden, deren Emitter gemeinsam an die Ausgangsklemme 52 des Servoverstärkers 5 angeschlossen sind, die über einen Regelwiderstand R₁₂ ^mi"t der Sammelleitung 1 verbunden ist. Die Bürste bzw. der Schleifer des Regelwiderstandes R₁₂ ist über einen Widerstand R₁₁ an die invertierte Eingangsklemme (-) angeschaltet, wodurch eine negative Rückkopplung bzw. Gegenkopplung erreicht wird, die zu einer ausreichenden Herabsetzung der Ausgangsimpedanz des Servoverstärkers 5 beiträgt. Die Kollektoren der Transistoren Q₁ und Q₂ werden mit Gleichspannungen +V₁ bzw.-V₁ gespeist. Die Drain-Elektrode des FETs Q, ist mit der nichtinvertierten Eingangsklemme (+) des linearen integrierten Schaltkreises OP, verbunden, während seine Source-Elektrode an die Sammelleitung 1 angeschlossen ist. Der FET Q, wirkt als Schalter, der durch ein über eine Diode D₁ an seine Gate-Elektrode angelegtes Treibersignal e^ wiederholt ein- und ausschaltbar ist, wobei die Frequenz des Signals e_d derjenigen der Wechselspannungsversorgung e entspricht. Weiterhin weist die Servovorrichtung einen Zweiphasen-Wechselstromservomotor 6, dessen Steuerwicklung 61 zwischen die Ausgangsklemme 52 des Servoverstärkers 5 und die Sammelleitung 1 geschaltet ist, und eine über einen Phasenschieberkondensator C, mit der Wechselspannungsquelle e verbundene Löschspule 62 auf. Die drehbare Welle des Wechselstrom-Servomotors 6 ist dabei antriebsmäßig mit der Bürste des Schiebewiderstands R* und außerdem mit einem nicht dargestellten Anzeige-Aufzeichnungsmechanismus gekoppelt .

-9-

709820/0689

2649558

Bei dieser Servovorrichtung läßt sich das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 durch die nachstehende Gleichung (1) ausdrucken, solange die Widerstandswerte der Widerstände R^, Rg und Ry als R₅, RgAR₇ festgelegt sind, so daß der Verstärkungsgrad des Gleichstromverstärkers 4 groß genug ist:

R₆ Rg

worin E₄, = _ν —2___ E_x = E₀

1 H₅ + R₆ 3 R₅₊ Rg 2

Das Ausgangssignal ε ist daher dem Unterschied zwischen der Eingangssignal-Gleichspannung E^ und dem Vergleichs- bzw. Bezugswert E^ proportional. Der Verstärkungsgrad des Gleich-

Stromverstärkers 4 hängt vom Wert —-Rr₇ ab bzw. variiert

^R5^R6 '

entsprechend dem Wert des Bereichseinstellwiderstands Rg. Der Schleifen-Verstärkungsgrad iiß der Servoschleife bestimmt sich durch folgende Gleichung, worin G einen Verstärkungsgrad oder Gewinn für die mittels des Servoverstärkers 5 und des Wechselstrom-Servomotors 6 erzeugte Vergleichsspannung E^ angibt:

+ R

r Rf-

11 ß = R₇-
' ^K5^R6' ^R5 ^{+ R}6

-10-

709820/0689

2649558

Gemäß Gleichung (2) ändern die Widerstände R₅ und R₇ ihre Werte bei der Bereichseinstellung nicht, so daß der Schleifen-Verstärkungsgrad nß der Servoschleife konstant bleibt, ohne daß bei der Bereichseinstellung der Verstärkungsgrad des Servoverstärkers 5 eingestellt zu werden braucht. Mit anderen Worten: der Servoverstärker 5 kann ein Verstärker mit konstantem Verstärkungsgrad sein.

Wenn das Gleichspannung-Eingangssignal E_i auf die Sammelleitung 1 zurückzuführen ist, kann der Schleifen-Verstärkungsgrad auf die im folgenden beschriebene Weise unabhängig von der Bereichseinstellung konstant ausgelegt werden. Gemäß Fig. 3 ist die Signaleingangsklemme 11 über die Widerstände R₁ und Rp des Filters 2 an die nicht-invertierte Eingangsklemme 42 des Gleichstromverstärkers 4 angeschlossen, und der Spannungsteilpunkt P des Spannungsteilers 33 ist mit der invertierten Eingangsklemme 41 verbunden, oder aber die Signaleingangsklemme 11 und der Spannungsteilpunkt P sind gemäß Fig. 4 über Widerstände R₁^ bzw. R^c mit der invertierten Eingangsklemme 41 des Gleichstromverstärkers verbunden. Gemäß Fig. 5 ist weiterhin das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 über den Pufferverstärker 32 und den Spannungsteiler 33 rückgekoppelt. Genauer gesagt, ist gemäß Fig. 5 das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 über den Widerstand Ry an die invertierte Eingangsklemme (-) des Pufferverstärkers 32 angelegt, für den eine Gegenkopplung über den Widerstand R^g geliefert wird, so daß der Pufferverstärker 32 einen Verstärkungsgrad besitzen kann, der von den Werten der Widerstände Ry und R^g abhängt, wobei der Punkt P des Spannungsteilers 33 an die

-11-

709820/0689

nicht-invertierte Eingangsklemme 42 des Gleichstromverstärkers 4 angeschlossen ist.

Wenn der FET Q^ gemäß Fig. 1 durchschaltet, ist die nichtinvertierte Eingangsklemme (+) des linearen integrierten Schaltkreises OP-, mit der Sammelleitung 1 verbunden. Infolgedessen läßt sich das Ausgangssignal e des Servoverstärkers 5, an den das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 angelegt wird, durch die Gleichung

^R1<1
e₀ = -m^U (3)

bestimmen, worin m = Spannungsteilungsverhältnis des Regel widerstands R₁₁ bedeutet.

R₁₁ »R₁₂

In diesem Fall arbeitet der Servoverstärker 5 als invertierter Verstärker. Wenn der FET Q, sperrt, wird das Gleichspannung-Abweichsignal ε an die nicht-invertierte Eingangsklemme (+) des linearen integrierten Schaltkreises OP, angelegt. Aus diesem Grund bestimmt sich das Ausgangssignal e_Q des Verstärkers 5 als

e₀ = m (4)

Hierbei arbeitet der Servoverstärker 5 als nicht-invertierter Verstärker. Fig. 2 veranschaulicht die Wellenform des Ausgangssignals e_o des Servoverstärkers 5. Wie dargestellt, besitzt das Signal e_Q eine Rechteckwellenform, die in bezug

-12-

709820/0689

1$

auf eine Bezugslinie symmetrisch ist und in Abhängigkeit vom Ein- und Abschalten des Transistorschalters Q, schwingt. Dieses Rechteckwellensignal ist bezüglich der Frequenz der Speisewechselspannung e identisch, während seine Amplitude und Phase dem Wert bzw. der Polarität des Gleichspannung-Abweichsignals ε entsprechen. Das Signal e wird der Steuerwicklung 61 des Wechselstrom-Servomotors 6 aufgeprägt, der sich daraufhin in einer von Amplitude und Phase des Signals e abhängenden Richtung dreht und eine Verschiebung der Bürste des Schiebewiderstands R-, bewirkt, wodurch das Gleichspannung-Abweichsignal ε auf Null abgeglichen wird. Die Verschiebung α der Bürste am Schiebewiderstand R-, ist der Eingangssignal-Gleichspannung Ej proportional bzw. läßt sich ausdrücken als

R-, + R/. Rc + R/r Ej ,R

Die Verschiebung α wird dem zugeordneten Anzeige-Aufzeichnungsmechanismus eingegeben, durch den die Eingangssignalspannung E_i angezeigt und aufgezeichnet wird. Wie aus Glei chung (5) hervorgeht, kann eine Nulleinstellung bzw. ein Nullabgleich mit Hilfe des Widerstands R^ unabhängig von der Bereichseinstellung erfolgen. Die für die Nulleinstellung erforderliche Verschiebung hängt lediglich vom Verhältnis R^/ R, ab; dies bedeutet, daß die einzelnen Widerstände R-, und R^ nicht notwendigerweise unbedingt stabil sind, ihr Verhältnis R4/R3 jedoch wesentlich ist.

-13-

709820/0689

Bei der erfindungsgemäßen Servovorrichtung wird der Einfluß eines Wechselstrom-Störsignals e„ auf den Wechselstrom-Servomotor ausgeschaltet. Insbesondere sei angenommen, daß ein solches Störsignal e_N der Stromquellenfrequenz das Filter 2 durchläuft und über den Gleichstromverstärker 4 an die Eingangsklemme 51 des ServoVerstärkers 5 gelangt. In letzterem wird das Störsignal e_N durch die Ein- und Abschaltwirkung des Schalters Q, in ein Störsignal e_No umgewandelt, dessen Frequenz gemäß Fig. 2 das Doppelte der Stromquellenfrequenz beträgt und das an der Ausgangsklemme 52 des Servoverstärkers 5 abgegeben wird. Mit dem Doppelten der Stromquellenfrequenz kann das Störsignal e« den Wechselstrom-Servomotor 6 nicht antreiben.

Obgleich der Servoverstärker 5 einfach einen linearen integrierten Schaltkreis bzw. IC und einen Transistorschalter verwendet und sich nicht auf einen herkömmlichen Koppelkondensator stützt, vermag er das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 zu einer Wechselspannung umzuwandeln, die bezüglich des Spitzen- oder Scheitelabstands das Doppelte des Signals ε beträgt. Infolgedessen kann die Zahl der Schaltkreiselemente verringert werden, und das Problem der Phasenverschiebung aufgrund des Koppelkondensators wird vermieden. Weiterhin reicht bei der erfindungsgemäßen Servovorrichtung ein einziger Schalter aus, dessen Treibersignal e_d daher einfach vom Wechselstromquellensignal e durch Begrenzung von dessen Amplitude gewonnen werden kann. Ein konkretes Beispiel für diese Anordnung ist im Schaltbild einer Servovorrichtung gemäß Fig. 6 veranschaulicht.

-14-

70982 0/0689

Gemäß Fig. 6 ist ein Netz- oder Leistungstransformator T mit seiner Primärwicklung n* an eine Wechselspannungsversorgung e angeschlossen, während die Mittelanzapfung seiner Sekundärwicklung n₂ mit der Sammelleitung 1 verbunden ist. Eine an der Sekundärwicklung n₂ induzierte Spannung wird durch eine Zenerdiode ZD₁ über einen Widerstand R₁₇ abgekappt, und das resultierende Rechteckhalbwellen-Treibersignal e_d wird an die Gate-Elektrode des FETs Q, angelegt. Die an der Sekundärwicklung n₂ induzierte Spannung wird durch Dioden Dp» D, und D^, D₅ einer Vollweggleichrichtung unterworfen und dann durch Kondensatoren Cr und C₅ zu positiven und negativen Gleichspannungen +V₁ bzw. -V₁ geglättet, die den Kollektoren der Transistoren GL bzw. GU aufgeprägt werden. Die Gleichspannungen +V₁ und -V₁ werden durch Zenerdioden ZD₂ und ZD₅ über Widerstände R₁₈ und R₁Q stabilisiert. Die stabilisierten Gleichspannungen +V₂ und -V₂ werden an die Stromspeiseklemmen der linearen integrierten Schaltkreise OP₁ bis OP₃ angelegt. Die positive Gleichspannung +V₂ wird durch eine Zenerdiode ZD^ über einen Widerstand R₂₀ stabilisiert, und die so erhaltene Gleichspannung E₁ wird über einen Widerstand R₂₁ an einen Schiebewiderstand R, angelegt. Bei dieser Schaltung genügt daher eine einzige Sekundärwicklung, so daß die Stromversorgungsschaltung vereinfacht werden kann. Der Leistungstransformator T ist mit einer Kontaktschutzplatte S₁ sowie Abschirmungen S₂ und S-x versehen, welche ein gefährliches Eindringen von Energie von der Wechselspannungsversorgung in die Sekundärwicklungsseite verhindern.

Gemäß Fig. 6 ist ein Widerstand R₂₂ in Reihe mit dem Nullabgleichwiderstand R^ des Potentiometers 31 geschaltet, so

-15-

709820/0689

daß die nicht-invertierte Eingangsklemme 42 des Gleichstromverstärkers 4 mittels einer Überbrückungsleitung J mit der Saelleitung 1 oder der Verzweigung zwischen den Widerständen R^ und R₂₂ verbunden werden kann. Durch Einstellung der Spannung E^ am Widerstand R₂₂ wird daher der Nullpunkt in positive oder negative Richtung verschoben. Wenn die Überbrückungsleitung J auf die durch die ausgezogene Linie angedeutete Weise mit dem Punkt a verbunden wird, wird der Nullpunkt verringert. Wird dagegen die Überbrückungsleitung J, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, mit dem Punkt b verbunden, so wird der Nullpunkt erhöht. Wenn die Eingangssignal-Gleichspannung Ej hoch ist, muß der Pufferverstärker 32 eine Verstärkung besitzen. Das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 kann über den Pufferverstärker 32 und den Spannungsteiler 33 rückgekoppelt werden. In diesem Fall wird die Spannung an der Zenerdiode ZD^ gemäß Fig. 7 über exnen Widerstand R₂₅ mit dem Spannungsteilpunkt P des Spannungsteilers 33 verbunden, wodurch der Nullpunkt verringert werden kann. Wird dagegen die Spannung an der Zenerdiode ZD^ durch die Widerstände R^ ¹^ ^R25 S^e'^fceil"^t und dann an die invertierte Eingangsklemme (-) des Pufferverstärkers 32 angelegt, wie in gestrichelter Linie angedeutet, so kann der Nullpunkt erhöht werden.

Gemäß Fig. 6 wird eine Reihe von Festwert-Widerständen Rc* und Regelwiderständen R₁-" als Widerstand R,- des Spannungsteilers 33 benutzt, damit der Bereich mit Hilfe des Regelwiderstands Rc" fein eingestellt werden kann. Durch die Feineinstellung des Bereichs mittels des Regelwiderstands R₅ ¹¹ wird eine geringe Veränderung (d.h. von einigen Prozen-

-16-

709820/0689

ten) im Widerstandswert des Widerstands Rc bewirkt. Dies bedeutet, daß der Schleifen-Verstärkungsgrad iiß der Servoschleife unabhängig von der Bereich-Feineinstellung praktisch konstanthalten werden kann. Die Bereich-Feineinstellung läßt sich auf folgende Weise durchführen: Gemäß Fig. ist ein Bereich-Feineinstellregelwiderstand R₂^ mit dem Schiebewiderstand R, in Reihe geschaltet, wobei der den Schiebewiderstand R, durchfließende Strom eingestellt wird.

Fig. 8 veranschaulicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Servovorrichtung in Anwendung auf ein thermoelektrisches Thermometer, das ein Thermoelement CP zur Messung der Temperatur eines Meßobjekts, wobei die Thermoelement-EMK V+ über Signaleingangsklemmen 11 und 12 angelegt wird, und einen Transistor Gk zur Messung der Temperatur der Vergleichs- bzw. Kaltlötstelle des Thermoelements CP aufweist. Basis und Kollektor des Transistors CW sind gemeinsam mit der Sammelleitung 1 verbunden, während sein Emitter über Widerstände R₂₈ und R₂Q mit einer stabilisierten negativen Gleichspannung -V₂ gespeist wird, um einen vorgegebenen Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen zu lassen, wobei dieser Strom von der Gleichspannung -V₂ und den Widerständen R₂Q und R₂₈ abhängt. Der Transistor Q^ ist so ausgelegt, daß bei einem konstanten Stromfluß zwischen Kollektor und Emitter die Basis-Emitter-Spannung V^ im Bereich der Normaltemperaturen der Temperatur der Kaltlötstelle proportional ist. Die Spannung V^ wird über einen Widerstand R,_Q an die nicht-invertierte Eingangsklemme 42 des Gleichstromverstärkers 4 angelegt. Eine Spannung am Widerstand R₂₂ wird auch über einen Widerstand R^₁ an die

-17-

7 09820/0689

nicht-invertierte Eingangsklemme 42 des Verstärkers 4 ange legt. Infolgedessen bestimmt sich das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 als

R₃₁ » R₂₂ // R₂₁ + R₃ + R

Wenn der Wert -rf^· · E₇, als dem Wert der Basis-Emitter-Span-

nung V^ des Transistors Q^ gleich festgelegt wird, stellt der Wert

^R31 /^R30_{F v} %

eine Spannung (d.h. die Kaltlötstellen-Kompensationsspanung) dar, die mit der Abweichung der Kaltlötstellentemperatur von einer Bezugstemperatur linear variiert. Gemäß Gleichung (6) ist die Summe der Kaltlötstellen-Kompensationsspannung und der EMK V+ des Thermoelements CP der Temperatur am Temperaturmeßende proportional. Das Verhältnis TemperaturkoeffizientZ-Kaltlötstellen-Kompensationsapannung hängt von den Widerständen R₃₀ und R₃₁ ab, solange der Kollektorstrom des .Transistors Qr so eingestellt ist, daß das Verhältnis der Formkonstante (d.h. der durch den Aufbau eines

-18-

709820/0689

Transistors bestimmten Konstante) zum Kollektorstrom des Transistors Q^ konstant bleibt. Dieses Prinzip gilt daher unabhängig vom verwendeten Transistor Q^, und diese Servovorrichtung kann mithin einfach durch Bestimmung des Widerstands R^₁ leicht an verschiedene Thermoelemente angepaßt werden.

Das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 wird über den Servoverstärker 5 an den Wechselstrom-Servomotor 6 angelegt, wobei die Bürste bzw. der Schleifer des Schiebewiderstands R, so verschoben wird, daß das Signal ε zu Null wird. Diese Verschiebung ist daher der Temperatur am Meßende proportional. Die Verschiebung(sgröße) α wird dem nicht dargestellten Anzeige-Aufzeichnungsmechanismus eingegeben, an dem die Temperatur an einem zu messenden Objekt angezeigt und aufgezeichnet wird.

Um das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 über den Pufferverstärker 32 und den Spannungsteiler 33 zurückzukoppeln, ist die Signaleingangsklemme 12 mit der Sammelleitung 1 verbunden, während der Spannungsteilpunkt P des Spannungsteilers 33 über einen Widerstand R^p ^mit ^der nichtinvertierten Eingangsklemme 42 des Gleichstromverstärkers 4 verbunden ist.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Servovorrichtung dient ein Transistor als Element zur Bestimmung oder Messung der Kaltlötstellentemperatur. Anstelle dieses Elements können aber auch andere Temperaturmeßelemente benutzt werden. Ein Transistor ist aller-

-19-

709820/0689

dings vorteilhaft, weil er geringe Größe, gleichmäßige Eigenschaften und eine geringe Änderung des Temperaturkoeffizienten besitzt, weshalb er nur dann austauschbar ist, wenn eine Einpunkt-Temperatureichung anhand einer Bezugstemperatur vorgenommen wird. Zudem kann der Transistor materialeinheitlich bzw. einstückig mit der Kaltlötstellenklemme eingebaut und mit einem geringen Anteil des Schaltkreisstroms betrieben werden. Vom schaltungstechnischen Standpunkt gewährleistet der Transistor somit eine Fehlerminderung und eine genaue Kaltlötstellenkompensation.

Fig. 10 ist ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Servovorrichtung bei Anwendung auf ein Widerstandsthermometer. Gemäß Fig. 10 sind bei einer mit drei Leitungen versehenen Platin-Widerstandsröhre (resistance bulb) R+ die Zuleitungen I₁ und I₂ mit Signaleingangsklemmen 11 und 12 verbunden, während die Zuleitung 1, an die Sammelleitung 1 angeschlossen ist. Die Summe eines konstanten Stroms i«j, der von der Zenerspannung der Zenerdiode ZD^ und dem Widerstand IU, abhängt, sowie eines der Vergleichsspannung proportionalen Stroms i₂, der vom Ausgangssignal E, des Pufferverstärkers 32 und vom Widerstand R,^ abhängt, fließt über die Signaleingangsklemme 11 in der Widerstandsröhre· Die Klemme 11 ist dabei über einen Widerstand R₁^ mit der invertierten Eingangsklemme 41 des Gleichstromverstärkers 4 verbunden. Der Teilungspunkt P des Spannungsteilers 33 ist ebenfalls über einen Widerstand R^c mit der invertierten Eingangsklemme 41 des Verstärkers 4 verbunden. Die Signaleingangsklemme 12 ist über einen Widerstand R« mit der nicht-invertierten Eingangsklemme 42 des Verstärkers 4 verbunden.

-20-

709820/0689

Bei dieser Thermometerschaltung fließt der die Widerstandsröhre R^ durchfließende Strom i nicht in den Gleichstromverstärker 4, weil dieser eine hohe Eingangsimpedanz besitzt. Die Widerstandswerte der Zuleitungen I^ - 1, der Widerstandsröhre R^ sind einander nahezu gleich. Das Ausgangssignal ε des Verstärkers 4 bestimmt sich durch die Gleichung

Rc ■*" Rc Ri /. — R* c

in welcher r den Widerstand der Zuleitung der Widerstandsröhre R+ bedeutet.

Wenn die Werte der Widerstände R*r und R^₅ so festgelegt sind, daß sie einander gleich sind (R₁^ = R^₅)* kann der Einfluß des Widerstands r unabhängig von der Größe des in der Röhre R^ fließenden Stroms i vernachlässigt werden.

Da in der Widerstandsröhre R+der Strom i fließt, der die Summe aus einem konstanten Strom i.. und einem der Vergleichsspannung proportionalen Strom ip £ 3 ) ist, läßt sich die

Verschiebung α der Bürste bzw. des Schleifers am Schiebewiderstand R, durch folgende Gleichung ausdrücken:

^R5 ^{+ R}6 ^Rt ¹I-¹¹Zf ⁺

K₅ + K^ * E7

" ^R6^R34

-21-

709820/0689

Wie aus Gleichung (8) ersichtlich ist, nimmt die Verschiebung α mit einer Erhöhung des Widerstandes der Widerstandsröhre R₁. zu, d.h· die Verschiebung α nimmt mit der Temperatur linear zu. Die Verschiebung(sgröße) α wird zum nicht· dargestellten Anzeige-Aufzeichnungsmechanismus übertragen und dort angezeigt und aufgezeichnet. Bei dieser Servovorrichtung wird eine der Vergleichs- bzw. Bezugsspannung E^ proportionale Spannung verwendet, um die temperaturabhängige Verschiebung α linear zu gestalten. Die Temperaturmessung hängt daher lediglich von einer Änderung des Widerstands der Widerstandsröhre selbst, unabhängig vom Zuleitungswiderstand r, ab, so daß Meßbereichsfehler ausgeschaltet werden können. Wie erwähnt, dient die Zenerdiode ZD^ zur Lieferung der Spannung für die Zufuhr eines konstanten Stroms i^ zur Widerstandsröhre Rj., mit dem Ergebnis, daß eine etwaige Änderung der Bezugsspannung E₁ keinen Meßfehler zur Folge hat und die Nulleinstellung bzw. der Nullabgleich unabhängig von der Bereichseinstellung erfolgen kann.

Das Ausgangssignal ε des Gleichstromverstärkers 4 kann auf folgende Weise über den Pufferverstärker 32 und den Spannungsteiler 33 rückgekoppelt werden: Gemäß Fig. 11 sind die Signaleingangsklemme 12 über einen Widerstand R« an die invertierte Eingangsklemme 41 des Gleichstromverstärkers 4, die Klemme 11 über einen Widerstand R^ an dessen nichtinvertierte Klemme 42 und der Spannungsteilpunkt P des Spannungsteilers 33 über einen Widerstand R₁C ebenfalls an diese nicht-invertierte Klemme 42 angeschlossen.

-22-

709820/0689

. ar .

Bei dieser Ausführungsform wird eine Platin-Widerstandsröhre R. verwendet, deren Viderstandsinkrement mit der Temperatur abnimmt. Anstelle einer solchen Röhre kann auch eine Nickel-Widerstandsröhre o.dgl. verwendet werden, deren Widerstandsinkrement temperaturabhängig zunimmt. In diesem Fall muß das Ausgangssignal E, des Pufferverstärkers 32 für die Einspeisung in die folgende Stufe invertiert werden.

Die vorstehend beschriebene Servovorrichtung bzw. -schaltung gemäß der Erfindung arbeitet ohne den herkömmlichen Koppelkondensator stabil, so daß die Probleme der Phasenverschiebung durch einen solchen Kondensator vermieden werden.

709820/0889

Claims

Henkel, Kern, Feiler &Hänzel

Möhlstraße 37 Yokogawa Electric ¥orks, Ltd. D-8000 München 80

Tokio, Japan TeL: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

5 0 ■■·:■ Κ'/

Patentansprüche

1 J Servovorrichtung, gekennzeichnet durch eine Eingangsschaltung mit einem direkt bzw. galvanisch koppel-nden Gleichstromverstärker, der ein Eingangssignal und ein Vergleichs- bzw. Bezugssignal miteinander zu vergleichen und das Vergleichsergebnis zu verstärken vermag, durch einen Servoverstärker mit einem direkt bzw. galvanisch koppelnden Differentialverstärker mit invertierter und nicht-invertierter Eingangsklemme, wobei die beiden Eingangsklemmen über getrennte Widerstände mit dem Ausgangssignal der Eingangsschaltung gespeist werden, mit einer Einrichtung zum Rückkoppeln des Ausgangssignals des genannten Differentialverstärkers zur invertierten Eingangsklemme über einen Widerstand und mit einem zwischen die nicht-invertierte Eingangsklemme und eine Sammelleitung eingeschalteten Schalter, durch einen vom Ausgangssignal des Servoverstärkers angesteuerten Wechselstrom-Servomotor und durch eine Einrichtung, welche den Servomotor eine Bürste bzw. einen Schleifer eines

709820/0689

2649555

Schiebewiderstands einer Vergleichswert-Generatorschaltung verschieben und dabei den Vergleichswert mit dem Eingangssignal in Abgleich bringen läßt, wobei der Schalter des Servoverstärkers in Synchronismus mit einer Erregungsstromzufuhr zum Servomotor ein- und ausgeschaltet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Eingangsschaltung, gekennzeichnet durch eine Vergleichs- bzw. Bezugswert-Generatorschaltung mit einem Potentiometer mit Schiebewiderstand, einem Pufferverstärker zur Ableitung des Ausgangssignals des Potentiometers durch Impedanzwandlung und einem (Meß-) Bereichseinstell-Spannungsteiler zum Teilen des Ausgangssignals des Pufferverstärkers, und durch eine Einrichtung, welche über einen Widerstand das Ausgangssignal eines Gleichstromverstärkers an einen Spannungsteilpunkt des Spannungsteilers anlegt, wobei der Gleichstromverstärker das Ausgangssignal der Vergleichswert-Generatorschaltung mit dem Eingangssignal vergleicht und das Vergleichsergebnis verstärkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Eingangsschaltung, gekennzeichnet durch eine Vergleichs- bzw. Bezugswert-Generatorschaltung mit einem Potentiometer mit Schiebewiderstand, einem Pufferverstärker zur Ableitung des Ausgangssignals des Potentiometers durch Impedanzwandlung und einem (Meß-) Bereichseinsteil-Spannungsteiler zum Teilen des Ausgangssignals des Pufferverstärkers, und durch eine Einrichtung, welche über einen Widerstand das Ausgangssignal eines Gleichstromverstärkers an den Pufferverstärker anlegt, wobei der Gleichstromverstärker das Ausgangs signal der Vergleichswert-Generator schaltung

709820/0689

mit dem Eingangssignal vergleicht und das Vergleichsergebnis verstärkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Thermometer mit einer Eingangsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal aus einer elektromotorischen Kraft (EMK) eines Thermoelements besteht und daß eine Einrichtung zur Messung der Temperatur der Vergleichs- bzw. Kaltlötstelle und zur Anlegung einer Spannung entsprechend der gemessenen Temperatur an die nicht-invertierte Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Messung der Temperatur der Kaltlötstelle des Thermoelements ein Transistor vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verwendung bei einem Widerstandsthermometer mit einer Eingangsschaltung, gekennzeichnet durch eine drei Leitungen aufweisende Widerstandsröhre, durch eine Einrichtung zur Verbindung zweier Zuleitungen an der einen Seite über Widerstände mit der invertierten bzw. der nicht-invertierten Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers, durch eine Einrichtung zur Verbindung einer Zuleitung an der anderen Seite mit der Sammelleitung, durch eine zwischen zwei Zuleitungen auf beiden Seiten eingeschaltete Einrichtung zur Zufuhr eines Stroms zur Widerstandsröhre und durch eine Einrichtung, um über einen Widerstand den Spannungsteilpunkt des Spannungsteilers der Vergleichswert-Generatorschaltung mit der Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers an der Seite mit der Zuleitung, über welche der Widerstandsröhre ein Strom eingespeist wird, zu verbinden.

709820/0689
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche die Widerstandsröhre mit der Summe aus einem konstanten Strom und einem dem Vergleichswert proportionalen Strom speist und dadurch eine Nichtlinearität der Widerstandsröhre kompensiert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Servoverstärker, gekennzeichnet durch einen direkt bzw. galvanisch koppelnden Differentialverstärker mit einem linearen integrierten Differential-Schaltkreis und zwei unmittelbar mit diesem gekoppelten, komplementären Transistoren und durch einen Schalter mit einem Feldeffekttransistor, dessen Drain- und Source-Elektroden mit der nicht-invertierten Eingangsklemme des linearen integrierten Schaltkreises bzw. der Sammelleitung verbunden sind.

709820/0689