DE2721491C2 - Meßumformer, insbesondere für einen Druckmesser - Google Patents

Meßumformer, insbesondere für einen Druckmesser

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    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means

Description

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßwertsignal (M) unter Verwendung einer Subti aktionsschaltung (24) gebildet wird,
daß das Referenzsignal (S) unter Verwendung einer Additionsschaltung (22) gebildet wird, und daß der Subtraktion- bzw. Additionsschaltung (24,22) jeweils die Meßsignale (V\, V2) eingespeist werden (F ig. 1).
3. Meßumformer nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßwertsignal (M) unter Verwendung einer Additionsschaltung (70) gebildet wird, der die Meßsignale (Vi, V2) zugeführt werden, und daß als Referenzsignal (S) das eine Meßsignal (V 1) verwendet ist
4. Meßumformer nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (16) über einen Arbeitsbereich hinweg bewegbar ist, der innerhalb eines Strahlungswegteils liegt, der nur zu einem der Elemente (10,12) hin gerichtet ist.
5. Meßumformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (16) über einen Arbeitsbereich hinweg bewegbar ist, der innerhalb eines Strahlungswegteils liegt, der zu beiden Elementen (10,12) hin gerichtet ist.
6. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (21) eine zum Eichen der Eingangsgrößen zum Konverter dienende Eicheinrichtung (28,30) aufweist.
7. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (16) mit einer Bourdonröhre (38) in Verbindung steh·..
8. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßumformer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Meßumformer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in US-PS 36 91 843 gezeigt Bei diesem bekannten Meßumformer ist nachteilig, daß bei Spannungsschwankungen oder aber bei einer Verminderung der Leuchtkraft der dort verwendeten Lampe die Ausgangssignale sich in unerwünschter Weise verändern können.
Aus der US-Patentschrift 37 42 233 ist bereits eine Positionsabtastvorrichtung insbesondere für einen Druckmesser bekannt, bei der zum Zwecke der Digitalisierung des Ausgangssignals eine undurchsichtige Blende über eine Anordung aus einer Vielzahl von lichtempfindlichen Dioden hinweggeführt wird. Bei dieser Vorrichtung kann allerdings keine unbegrenzte Genauigkeit erreicht werden, da der kleinste Abstand der Dioden für die Meßgenauigkeit bestimmend ist
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 6 01 355 ist ferner bereits bekannt, zwei Fotozellen im Zusammenhang mit einem Merkmalsträger einzusetzen, ohne daß dabei aber eine Positionsabtastvorrichtung erfolgen würde. Bei der deutschen Auslegeschrift 10 90 872 werden ebenfalls zwei Dioden eingesetzt. Allerdings dienen diese beiden Dioden lediglich zur Bereichsbfgrenzung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ganz allgemein die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere eine Positionsabtastvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß unabhängig von Spannungsschwankungen oder einer Verminderung der Leuchtkraft der Strahlungsquelle die Ausgangssignale unverändert erhalten werden.
Zur Losung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
5Cc Maßnahmen vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der gemäß der Erfindung ausgebildete Meßumformer ist aufgrund seines Aufbaus gegenüber Ungenauigkeiten unempfindlich, die sich bisher aus Schwankungen der Temperatur und/oder der Spannung ergeben konnten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels;
F i g. 2 ein isometrisches Schema einer Anwendung des Ausführungsbeipiels nach Fig. 1 zum Druckmessen;
F i g. 3 eine Abwandlung der F i g. 2 zur Differentialdruckmessung;
F i g. 4 eine weitere Abwandlung der F i g. 2 zur Differentialdruckmessung;
F i g. 5 eine andere Anwendung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 zur Bimetall-Temperaturmessung;
F i g. 6 ein Diagramm der Ausgangsspannung abhängig von der Zeit bei einem integrierenden Doppelneigungs-Anaiog-Digital-Konverter; und
F i g. 7 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 besteht aus zwei nebeneinanderliegenden strahlungsempfindlichen Dioden 10 und 12 mit genau bestimmten aktiven Gebieten Ai bzw. Aj. Die Dioden werden durch ein einheitliches Lichtfeld 14 mit einer Strahlungswellenlänge bei oder nahe der Spitzenempfindlichkeit der Dioden belichtet Im Lichtweg befindet sich eine quer bewegbare durchscheinende Unterbrechungsblende 16, die in Richtung des Pfeils 17 an den Diodenflächen vorbei verschiebbar ist. Zum Verschieben der Blende 16 können unterschiedliche Mechanismen verwendet werden, mit denen eine digitale Anzeige der Verschiebestellung erhalten werden kann.
Die Blende 16 ist in der Mitte der Skala dargestellt, wobei die Bewegung der Blende durch die Größe der Dioden begrenzt ist Dadurch befinden sich die beiden Seitenkanten 18 und 20 der Blende stets innerhalb der aktiven Diodenflächen. Die Nullstellung ist erreicht, wenn die linke Blendenkante 18 praktisch über dem ganz linken aktiven Teil der Diode 10 liegt, wobei die rechte Blendenkante 20 genau rechts von der linken Kante der Diode 12 liegt.
Die volle Skalenstellung der Blende 16 wi:d am entgegengesetzten Ende erreicht, wenn die rechte Blendenkante 20 über der ganz rechten aktiven Fläche der Diode 12 und die linke Kante 18 genau links von der rechten Kante der Diode 10 liegt Hierfür sind Dioden geeignet, die eine Lichtempfindlichkeit von 2/0 Mikroampere pro Mikrowatt pro Quadratzantimeter und einen Spektralansprcchwert von 830 NM aufweisen.
Eine Verschiebung der Blende 16 über mehr oder weniger der Gebiete A\ und A2 läßt die Dioden-Meßsignale Vi und V2 abgeben, die proportional der Strahlungsintensität und den entsprechenden bestrahlten Flächengebieten sind. Jedes Meßsignal wird an die Schaltung 21 gegeben, die eine Additionsschaitiing 22 zum Summieren der Meßsignale und eine Subtraktionsschaltung 24 zur Erzeugung einer Differenz der Signale aufweist um entsprechend ein Summensignal (Referenzsignal) S und ein Differenzsignai D zu liefern. Vorzugsweise werden Eicheinstellungen in der Form einer fi-Meßbereichseinstellung und einer Λ-Nulleinstellung von einfachen Spannungsteilerpotentiometern 28 bzw. 30 am Signal D über die Additionsschaltung 26 gemacht. Den Ausgang der Schaltung 26 bildet ein Meßwertsignal M, das an einem integrierenden Doppelneigungs-AnalogDigital-Konverter 32 liegt Das Signal 5, das in gleicher Weise am Konverter 32 liegt, bildet das zugehörige Referenzsignal. Der Konverter 32 vergleicht das gemessene Eingangssignale M mit dem Referenzsignal S auf der Grundlage ihres Verhältnisses M/S χ einer Konstante, um ein fortlaufendes DigitaUignal O für die Anzeige 34 und/oder eine andere Verbindung 36 zu bewirken. Die Signale 34 und/oder 36 stellen auf diese Weise genau die Stellung der Blende 16 in bezug auf die Dioden 10 und 12 in einem beliebigen Zeitpunkt dar.
Der Konverter 32 verwendet die in Fig. 6 gezeigte allgemein bekannte A/D Doppelneigung, wie sie beispielsweise in d^n US-Patentschriften 33 16 546· 30 61 839; 34 58 809; 36 60 834 und 35 66 397 beschrieben wird. Das Verfahren der Umwandlung verwendet das integrieren eines Stromes der direkt mit einer unbekannten Spannung in Beziehung steht über eine feste Zeitdauer, worauf die integration eines genormien Stromes folgt der auf eine Bezugsspannung entgegengesetzter Polarität bezogen ist, bis der Integratorausgang auf Null zurückkehrt. Die erforderliche Zeit, um den Integrator auf Null zu bringen, ist direkt proportional dem Verhältnis des gemessenen Stromes zum genormten Strom und somit zur gemessenen Spannung. In diesem Sinne ist der integrator eine Schaltung, die einen sich linear mit der Zeit (gewöhnlich ein Anstieg) ändernden Ausgangswert erzeugt wenn der Eingang dieselbe konstante Spannung ist Die Geschwindigkeit des Integratorausgangsspannungsanstiegs nimmt direkt proportional zur Größe der Eingangsspannung zu. Wenn die Eingangsspannung Null ist, ist die Ausgangsspannung der Änderung nicht unterworfen, bleibt aber bei jedem Ausgangswert Null, der sich je bei Beginn des Zeitablaufs ergibt
Die Zeitperiode ist in F i g. 6 in vier gleiche Zeitteile fi, ti, h und U unterteilt und eine 1 messende unbekannte Spannung M wird an den Eingang des integrators für eine feste Zeitdauer it gelegt Der Ablauf beginnt in der Zeitdauer t\, während der die Ausgangsspannung des Integrators linear ansteigt bis eine Ausgangsspannung V entsteht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Bezugsspannung S entgegengesetzter Polarität an den Eingang gelegt, während M entfernt wird. Für die beiden nächsten Perioden fo und ft) ändert sich die Ausgangsspannung linear in negativer Richtung und geht durch die Nullachse zur Zeit t„. und integriert am Ende der dritten Zeitperiode zu einem negativen Spannungswert. Wenn dies eintritt, wird die ganze Spannung vom Integratoreingang entfernt und der Integratorkondensator wird entladen, was den Ausgang V' auf Null zurückbringt. Dadurch wird der Zyklus beendet, bei dem der integrator zum Beginn der nächsten Umwandlung wieder bereit ist Wenn beispielsweise der Bezugseingang S bei 2 Volt gehalten wird, ändert sich der ge- messene Eingang M von 0 auf 2 Volt und der digitale Voll-Skalenwert des Konverters liegt bei 1,999. Dann är.Jert sich der Ausgang C zwischen 0 und 1,999 bei einer Spannungsänderung von 2 Volt
Da die Dauer fi fest liegt, ist der Wert ve η K'proportional dem Wert des integrierten M. Die Ausgangsnei-
gung während f| ist — und somit variabel und proportional dem Wert von M.
Bei einem relativ konstant bleibenden M bleibt je- V
doch die negative Neigung —— während /2 und tj ohne
•n
Rücksicht auf die Werte M und V ebenfalls konstant. Die Zeit für die Änderung des Integratorausgangs vori V"z"rück auf Null ist proportional dem Verhältnis A/zu
5 und der Dauer der Konstante f|, so daß In= t\ -^- ist.
Eine AnHufung von Impulsen in einem digitalen Zähler während der Periode t„ erzeugt einen digitalen Ausgang aus dem Zähler, der ein Maß der Zeit und somit de·· Eingangsspannung Λ/dividiert durch Sist.
Während die Integratorkennlinien von den Temperaturen beeinflußt werden, eliminiert die Verwendung eines Signals mit proportionalem Verhältnis seine Wirkung beim Messen von In.
Das Eliminieren der Wirkungen der Temperaturschwankung, der Spiisespannungsschwankung und anderer Faktoren ergibt sich aus folgender Betrachtung, bei der nachstehende Begriffe verwendet werden·.
A\ = die der Strahlung ausgesetzte Fläche der Diode 10.
A2 = die der Strahlung ausgesetzte Flache der Diode 12.
θ = derGcsamtempfindlichkeilsfaktor, B — die Lichtintensität,
Vi = #Ä4| und enthält das Ausgangsspannungssignal der Diode 10,
V2 = ΘΒΑ\ und enthält die Ausgangsspannungssignale der Diode 12,
β = der Bereichseinstcllfaktor, und λ = der Nulleinstellfaktor
C = der volle digitale Skalenwert des Konverters 32.
15
Mit gleichen Empfindlichkeitsfaktoren θ und einer einheitlichen Lichtintensität S, die auf beide Dioden 10, 12 übertragen wird, ist das Signal S = ΘΒ(Α, +A2) und das Signal D = ΘΒ(A\ —A2) und er/eugi das gemessene Eingangssignal M =βθΒ(A,-A2) + λΘΒ(A, + A2). Somit wird der digitale Signalausgang
(A1-A1) (A,+A2)
β + Λ X C
25
Da der digitale Ausgang O eine Funktion von nur dem Verhältnis der Summe und der Differenz zwischen den belichteten Flächen A, und A2 ist. werden die schädlichen Wirkungen der schwankenden Variablen, die vorher aufgetreten sind, durch dieses Verhältnis unmittel- Jo bar beseitigt und somit aufgehoben.
Gemäß Fig.2 wird die Blende 16 durch eine Bourdonröhre 38, an deren Einlaß 40 der Druck der zu messenden Flüssigkeit liegt, in Richtung 17 verschoben. Das Lichtfeld 14 kommt von einer Lichtquelle 42, die die Dioden 10 und 12 belichtet, und wird durch die Positiorisvcrschieb'j"** der Blende ίβ verändert. Ds die Verschiebung der Blende 16 direkt proportional zu den Druckänderungen bei 40 erfolgt, stellt die Anzeige 34 und/oder 36 zu jeder Zeit den jeweiligen Wert des ge- <ιο messenen Drucks dar. Diese Anordnung kann auch bei an Einlaß 40 auftretenden Druckänderungen verwendet werden, wobei diese aus einer Temperaturmeßanordnung eines geschlossenen gasgefüllten Syste-.ns stammen. In F i g. 3 is' die Bourdonröhre 38 für die absolute Druckempfindlichkeit bestimmt, indem sie in einem evakuierten Gehäuse 44 untergebracht ist, an das die Signalleitungen für die Dioden 10 und 12 und die Lichtquelle 42 über eine Dichtung 46 angelegt werden.
Die Differentialdruckmessung nach F i g. 4 ist derjenigen ähnlich, die zwischen zwei Einlaßdrücken P\ und Pi erhalten wird, die über gegenüberliegende Einlasse 48 und 50 eines Gehäuses 52 angelegt werden. An Membrane 54 und 56 mit einer transparenten Flüssigkeitsfüllung 58, in der die Dioden 10 und 12 angebracht sind, werden entsprechende Eingangsdrücke gelegt. An der Vorderseite der Membrane 54 befindet sich eine Abtastmembrane 60, an der eine L-förmige durchscheinende Blende 16 befestigt ist, die sich quer zu d^n belichteten Diodenflächen bewegen kann, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Signalleitungen für die Dioden und die Lichtquelle sind durch eine Dichtung 62 hindurch geführt Eine weitere Version dieses Gedankens wird in F i g. 5 gezeigt, wo die Blende 16 von einer Bimetaütemperaturfeder 64 entsprechend den Temperatur-Schwankungen verschoben wird. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist zu erkennen, daß, da die Rückführintegration des Konverters 32 von einer Zeitdauer t„ ist, ihre Dauer in einen elektronischen Impuls umgewandelt werden kann, dessen Dauer ein Maß des Drucks ist oder die Umwandlung erfolgt in eine Reihe von Impulsen bei einer festen Frequenz während der Zeit In. Im letzten Fall würde die Zahi von Impulsen das Maß der Blendenverschiebung darstellen.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird die Diode 10 über ihre ganze Fläche A, von einem Lichtfeld 14 gleichmäßig belichtet, so daß nur die Diode 12 den Belichtungsänderungen im Gebiet A2 durch die Blende 16 bei Verschiebung dieser ausgesetzt ist. Wegen der niedrigen Ausgangssignalströme der Dioden werden die .Signalwerte über Verstärker 66 bzw. 68 verstärkt, wobei der Ausgang des letzteren das konstante Referenzsignal S am Konverter 32 darstellt Die verstärkte Ausgangsgröße Ki, die durch die Bereichseinstellung β abgeändert ist, und die verstärkte Ausgangsgröße V2 der Diode 10, die von der Nulleinstellung λ augeändefi ist, werden an die Additioüsscha'törig 70 gelegt, deren Ausgangsgröße M das Meßwertsignal für den Eingang des Konverters 32 bildet. Der Konverter liefert dann eine Digitalausgangsgröße, um laufend den Positionszustand der Blende 16 darzustellen. Da K, konstant ist und die gesamte Änderung der Blendenstellung zu V2 hin erfolgt, wird eine Subtraktionsschaltung wie die im vorhergehenden Beispiel überflüssig.
Während noch eine Bezugsspannung an das gemessene Signal zur Verwendung als Nulleinstellung gelegt werden muß, ist dies gegenüber dem vorher beschriebenen verhältnismäßig einfach. Das heißt, durch Erzeugen des gemessenen Signals in einer einzigen Diode gegenüber der Doppeldiode wird nur der halbe Signalwert von dem des vorhergehenden Beispiels erzeugt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. 27 2i 491
    Patentansprüche:
    1. Meßumformer zur Umformung der Position einer Blende (16) in eine proportionale elektrische Größe, insbesondere für einen Druckmesser mit
    a) zwei in Abstand voneinander angeordneten Elementen (10,12) mit strahlungsempfindlichen Oberflächen eines vorbestimmten aktiven Gebietes, die je ein diskretes analoges Meßsignal (Vi, V2) liefern, dessen Größe zur bestrahlten Oberfläche in Beziehung steht, und
    b) einer Strahlungsquelle (42) welche Strahlungsenergie auf einen gleichförmigen Weg zu den aktiven Oberflächen der Elemente (10,12) richtet, wobei
    c) die Blende (16) zwischen der Quelle (42) und den Elementen (10,12) über den Arbeitsbereich quer-icweglich hinweg im Strahlungsweg angeordset ist, und zwar zum relativen Verändern der belichteten aktiven Rächen der Elemente und der von diesen abgegebenenen Meßsignale (V 1, VT) gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
    d) die Meßsignale (Vi, V2) werden einer Schaltung (21,22,24; 66,68,70) zugeführt, um ein mit der abgefühlten Position der Blende (16) in Beziehung stehendes analoges Meßwertsignal (M) und ein Referenzsignal (S) zu erzeugen, und
    e) das Meflwertsignal (M) und das Referenzsignal (S) werden einem A/D-Umsetzer (32) zugeführt, der ein der Position der Blende (16) entsprechendes Digitai-Signal liefert.
    gekennzeichnet, daß die Blende (16) mit einem Differentialmanometer verbunden ist
    9. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (16) mit einem temperaturempfindlichen Element verbunden ist
    10. Meßumformer nach Ansprach 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Konverter (32) ein integrierender Doppelneigungs-Konverter ist
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