DE2745915A1

DE2745915A1 - Gebervorrichtung zur verwendung bei einer instrumentierungsanlage fuer die industrielle verfahrensregelung

Info

Publication number: DE2745915A1
Application number: DE19772745915
Authority: DE
Inventors: Everett O Olsen; David A Richardson; Donald C Simpson
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1976-10-13
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1978-04-20
Also published as: NL186037B; NL186037C; DE2745915C2; GB1581286A; US4118977A; JPS6019040B2; FR2366539B1; FR2366539A1; NL7711213A; JPS5352475A; IT1090095B

Description

The Foxboro Company
Foxboro, Mass., V.St.A.

12. Out. 1977

Gebervorrichtung zur Verwendung bei einer Instrumentierungsanlage für die industrielle Verfahrensregelung

Die Erfindung betrifft Instrumente oder Geräte für die industrielle Verfahrensregelung zur Lieferung eines elektrischen Meßsignals entsprechend einem Druck bzv/. einer Kraft. Insbesondere betrifft die Erfindung derartige Geräte vom Schwingdraht- bzw. Saiten-Typ.

Es ist seit langem bekannt, daß ein gespannter Draht eine auf die Zugspannung im Draht bezogene Schwingungs-Resonanzfrequenz besitzt. Es ist ebenso seit langem bekannt, daß diese Charakteristik als Basis für ein Druck- oder Kraftmeßgerät benutzt werden kann, beispielsweise durch Spannen eines Schwingdrahts bzw. einer Saite entsprechend einer zu messenden Kraft, Schwingenlassen der Saite auf ihrer Resonanzfrequenz und Gewinnung eines Meßsignals entsprechend dieser Frequenz.

Für derartige Geräte gültige, theoretische Überlegungen deuten darauf hin, daß solche Geräte äußerst genaue Messungen liefern können, weshalb beträchtliche Anstrengungen mit dem Ziel der Entwicklung eines solchen Geräts gemacht worden sind. Diese

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Bemühungen führten zu einer beträchtlichen Zahl von Vorschlägen für verschiedene Instrumente- oder Gerätearten, und einige Geräte dieser Art sind bereits im Handel angeboten worden. Außerdem sind derartige Geräte in zahlreichen Schutzrechten beschrieben; eine bei weitem nicht vollständige Auswahl solcher Schutzrechte sind die US-PSen 2 445 021, 3 046 789, 3 071 725 und 3543 585.

Ungeachtet des erheblichen Forschungsaufwands auf diesem Gebiet ist bisher noch kein Gerät entwickelt worden, das sich wirklich zur Anwendung bei. der industriellen Verfahrens rege lung eignen würde. Dies beruht zum Teil darauf, daß die derzeit angebotenen Geräte nicht den wesentlichen Leistungsanforderungen genügen, nämlich eine hohe Meßgenauigkeit mit großer Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Außerdem eignen sich die bisherigen Geräte dieser Art nie ht als am Einsatzort montierte Einheiten, die in eine Gesamtinstrumentierungsanlage einschaltbar sind, beispielsweise mit einer Instrumentenstation bzw. Zentrale, in der die verschiedenen Meß- und/oder Regelfunktionen koordiniert werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Kraft- oder Druckmeßvorrichtung vom Schwingdraht- bzw. Saiten-Typ.Diese Vorrichtung soll sich dabei besonders gut für die Verwendung in einer Instrumentierungs- bzw. Geräteanlage für die industrielle Verfahrensregelung eignen.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

In bevorzugter, noch zu beschreibender AusfUhrungsform der Erfindung ist ein Saiten- oder Schwingdrahtgerät vorgesehen, dessen mechanische Bauteile aufgrund ihrer vergleichsweise robusten Konstruktion am Einsatzort an oder neben der Quelle des zu messenden Drucks bzw. der Kraft montiert und über eine einfache

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zweiadrige Übertragungsleitung mit dem etwas weniger robust gebauten elektronischen Signalgebergerät verbunden sein können, das an entfernter Stelle in einem bestimmten Abstand von den ungünstigen lokalen Umgebungseinflüssen an der Meßstelle angeordnet ist. Die elektronische Vorrichtung umfaßt einen Oszillator, der über die zweiadrige Leitung die gesamte Energie liefert, die nötig ist, um den gespannten Draht bzw. die Saite auf ihrer Resonanzfrequenz schwingen zu lassen. Die mechanischen Resonanzcharakteristika der Saite werden über die zweiadrige Leitung zum Oszillator zurückübermittelt, um dessen Frequenz entsprechend der unbekannten, zu messenden Kraft einzustellen.

Die Geberschaltung umfaßt außerdem Einrichtungen zur Lieferung einer nicht-linearen Übertragungsfunktion zwischen der Oszillatorfrequenz und dem Ausgangs-Meßsignal. Es hat sich erwiesen, daß eine solche Charakterisierung des Signals eine wesentlich verbesserte Genauigkeit durch Herbeiführung einer praktisch linearen Beziehung zwischen der unbekannten Kraft und dem Ausgangs-Meßsignal gewährleistet. Weiterhin weist dieser Geber bzw. Sender vorteilhaft spezielle elektronische Einrichtungen zur Durchführung der "Null-" und"Meßbereich"-Einstellungen des Geräts von einer von den mechanischen Bauteilen an der Meßstelle entfernten Stelle aus auf, wobei diese Einstellungen nicht wechselwirkend erfolgen.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise in Blockschaltbildform gehaltene schematische Darstellung einer bevorzugten Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild der elektronischen Geberelemente bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

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Im linken Teil von Fig. 1 sind in schematisierter Form die grundlegenden mechanischen Bauteile eines Schwingdraht- bzw. Saiten-Kraftmessers 10 dargestellt. Diese Bauteile umfassen einen elektrisch leitenden Draht 12, der zwischen zwei Anschlüssen oder Klemmen 14, 16 gestrafft und im Luftspalt zwischen den Polen 18A, 18B eines Dauermagneten angeordnet ist, welcher senkrecht zur Achse der Saite ein Magnetfeld zu erzeugen vermag.

Diese mechanischen Bauteile der Vorrichtung befinden sich an einer Fernstation nahe der Quelle der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Drucks. Wie durch den lotrechten Pfeil am oberen Ende der Saite 12 angedeutet, wirkt auf diese eine Kraft F unbekannter Größe unter Steuerung ihrer Spannung ein, so daß die Resonanzfrequenz der Saitenschwingung eine Funktion der Kraft darstellt.

Die Saiten-Klemmen 14, 16 sind jeweils mit dem einen Ende einer Wicklung 20 eines Transformators 22 verbunden, dessen andere Wicklung 24 an die Leiter einer zweiadrigen Übertragungsleitung 26 angeschlossen ist, die sich zwischen der entfernten Meßpunktstelle des Kraftmessers 10 und einer anderen, davon entfernt gelegenen Station erstreckt. Das abgewandte Ende der Übertragungsleitung 26 ist mit einer elektronischen Geberschaltung 30 verbunden, die im folgenden näher beschrieben ist.

Kurz gesagt, weist diese Schaltung 30 einen Oszillator 32 auf, der in Abhängigkeit von den über den Transformator 22 und die Übertragungsleitung 26 übertragenen Resonanzcharakteristika der (schwingenden) Saite 12 arbeitet und einen Rechteckwellenwechselstrom auf der Resonanzschwingfrequenz der Saite erzeugt. Dieses Rechteckwellensignal wird über die Leitung 26 zur Saite 12 geleitet, um diese anzuregen und ihre Schwingung zu erhalten. Der vorzugsweise ein hohes Wicklungsverhältnis von z.B.

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etwa 30:1 besitzende Transformator 22 dient zur Gewährleistung einer effektiven Impedanzankopplung zwischen den Eigenschaften der Saite 12 und der die Übertragungsleitung einschließenden Saiten-Anregungsschaltung. Der Transformator verbessert auch das Signal/Rauschen-Verhältnis des über die Übertragungsleitung gesandten Signals.

Der Oszillator 32 erzeugt zwei Rechteckwellen-Schaltersteuersignale auf Leitungen 34, 36, die mit einem Frequenz/Stromwandler 38 verbunden sind. Der Signalstrom von diesem Wandler wird einem Leistungsverstärker 40 eingegeben, der ein entsprechendes Ausgangs-Meßsignal auf einer anderen zweiadrigen Leitung 42 erzeugt, die eine Gleichspannungsquelle 44 in Reihe mit einem als Widerstand 46 dargestellten Signalempfangsgerät enthält, das seinerseits ein Registriergerät o.dgl. sein kann. Der Strom von der Spannungsquelle 44 speist eine geregelte Stromversorgung 48, welche dem Oszillator 32 und dem Wandler 38 stabilisierte Arbeitsspannungen liefert.

Aus Fig. 2, welche die Einzelheiten der elektronischen Schaltung der Gebervorrichtung 30 zeigt, ist ersichtlich, daß der Oszillator 32 einen Differentialverstärker 50 zur Ansteuerung eines anderen Verstärkers 52 aufweist, dessen Ausgang über geteilte (positive) Rückkopplungsstrecken mit den beiden Eingängen des Differentialverstärkers 50 verbunden ist. Die linke Rückkopplungsstrecke verläuft über einen Widerstand 54 und einen Kondensator 56 zur Basis eines Transistors 58, während die andere Rückkopplungsstrecke über einen ohmschen Spannungsteiler 60A, 60B und ein RC-Verzögerungsnetz 62 mit der Basis eines Transistors 64 verbunden ist. Ein mit dem Spannungsteiler 60 in Reihe geschalteter Kondensator 66 liefert eine vergleichsweise hohe Gleichspannungs-Vorspannung für den Transistor 64 zur Gewährleistung von Rechteckschwingungen innerhalb des Betriebsbereichs des Transistors. Ein anderer ohmscher Spannungs-

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teiler 68A, 6SB zwischen der positiven Speiseleitung 70 (V+) und einer Stromkreis-Sammelschiene 72 liefert die richtige Arbeitsvorspannung für den Transistor 58.

Das Verzögerungsnetz 62 verlangsamt die Vorderflanken der vom Verstärker 52 an den Transistor 64 angekoppelten Rechteckimpulse. Dies erfolgt zur Lieferung einer Transistorvorspannung für den Differentialverstärker 50, um kurzdauernde, hochfrequente gedämpfte Wellenzüge, welche den Vorderflanken der an den Transistor 58 angelegten Rechteckimpulse aufgrund der Streuparameter des Transformators 22 folgen, daran zu hindern, das schnelle Schalten des Verstärkers 50 zu stören. Im Betrieb schaltet dieser Verstärker zu den Zeitpunkten entsprechend den Nulldurchgängen der in der Saite 12 induzierten Spannung vom einen Zustand in den anderen.

Die ÜbertragungsIeitungsklemmen 74, 76 sind an die beschriebene positive Rückkopplungsstrecke angeschlossen, die zwischen dem Verstärker 52 und dem Transistor 58 verläuft, wobei die mechanischen Resonanzeigenschaften der Saite 12 über die Übertragungsleitung 26 in diese positive Rück- bzw. Mitkopplungsstrecke übertragen werden, um eine effektive Steuerung auf die Frequenz des Oszillators 32 auszuüben. Der Transformator 22 gewährleistet eine optimierte Anpassung zwischen den mechanischelektrischen Eigenschaften der Saite und den elektrischen Eigenschaften des Oszillators zur Aufrechterhaltung starker Schwingungen und eines guten Betriebswirkungsgrads. Die vom Oszillator erzeugten Rechteckwellenimpulse dienen zur Ansteuerung der übertragungsleitung 26 und des Transformators 22, um den Schwingdraht bzw. die Saite 12 entsprechend der durch die Kraft F darauf ausgeübten Zugspannung auf seiner bzw. ihrer Resonanzfrequenz schwingend anzutreiben.

Das vom Oszillator 32 gelieferte Rechteckwellensignal wird zur Erzeugung zweier entsprechender Rechteckwellen-Schalter-

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Steuersignale benutzt, die zueinander um 180° außer Phase sind. Zu diesem Zweck wird das Oszillatorsignal am oberen Ende des Spannungsteiler-Widerstands 6OA über einen Widerstand 78 an einen allgemein bei 80 angedeuteten Satz aus vier NOR-Gliedern angekoppelt, die beispielsweise vom handelsüblichen Typ RCA-Modell CD4001AD sein können und von denen jedes mit einem Eingang an die Sammelschiene 72 angeschlossen ist. Das Rechteckwellensignal des Oszillators wird an den anderen Eingang des oberen NOR-Glieds 82 angekoppelt, dessen Ausgang ein gegenüber dem Oszillatorsignal um 180° außer Phase liegendes Rechteckwellensignal ist. Dieses Ausgangssignal wird dem zweiten NOR-Glied 84 eingespeist, um ein mit dem ursprünglichen Oszillatorsignal phasengleiches Rechteckwellensignal zu erzeugen. Letzteres wird den beiden anderen NOR-Gliedern 86, 88 efrigespeist, um auf den Leitungen 34, 36 entsprechende, noch spitzere Schaltersteuersignale (SW "A" und "B¹) zu liefern, die zueinander um 180° phasenverschoben sind und die auf noch zu beschreibende Weise zur Ansteuerung des Frequenz/Stromwandlers 38 benutzt werden.

Der Frequenz/Stromwandler 38 arbeitet auf der Basis einer Kondensator-Lade- und -Entladeschaltung, die allgemein in der US-PS 3 948 098 beschrieben ist und daher nur noch kurz erläutert zu werden braucht. Eine solche Wandlerschaltung umfaßt zwei in Reihe geschaltete, abwechselnd betätigte Schalter 100, 102, die jeweils durch entsprechende, gleich große Werte besitzende Speicherkondensatoren 104, 106 überbrückt sind, um durch eine EMK-Quelle gespeist zu werden, die bei der dargestellten Anordnung die Differenzspannung V_D zwischen einer festen Vorspannung V, an der Stromsuinmierklemme 108 eines Operationsverstärkers 110 und dem Potential einer bei der dargestellten Ausführungsform an die Sammelschiene 72 angeschlossenen Bezugsleitung 112 ist. Die Schalter sind als Feldeffekt-Transistoren bzw. FETs dargestellt, deren Gate-Elektroden zur Ermöglichung des Wechselbetriebs der Schalter an diejSchalterstauersignal-Leitungen 34, 36 (SW "A" und "B") angeschlossen

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Wenn der erste Schalter 100 geschlossen ist, wird der zweite Kondensator 106 auf die Spannung V_ß aufgeladen, während sich der erste Kondensator 104 entlädt. In der nächsten Halbperiode werden der erste Kondensator auf die Spannung V_Q aufgeladen und der andere Kondensator entladen. Dieser Lade/Entladevorgang bewirkt einen Gleichstromfluß von der Klemme 108 zur Bezugsleitung 112. Dieser Strom ist sowohl der Differenzspannung V_D (beim vorliegenden Schaltersalz festgelegt) als auch der Frequenz der Schalterbetätigung, d.h. der Schwingungsfrequenz der Saite 12 proportional. Im Effekt bildet die eben beschriebene Schalter-Kondensator-Schaltung eine regel- oder steuerbare Gleichstromquelle zur Lieferung gleihmäßig großer Inkremente elektrischer Energie (der Ladungen an den Kondensatoren) und zur Auslösung dieser Energie-Inkremente mit einer der Frequenz des wechselnden Rechteckwellensignals vom Oszillator 32 proportionalen Frequenz. Je höher die Frequenz ist, um so häufiger finden also die Lade/Entladungszyklen statt. Der Durchschnittswert des resultierenden Gleichspannungssignals ist damit der Frequenz des Rechteckwellensignals proportional.

Der Verstärker 110 ist außerdem mit einem Gegenkopplungswiderstand 114 versehen, der zwischen die Summierklemme 108 und ein Heßbereich-Einstellnetz 116 am Ausgang des Verstärkers eingeschaltet ist. Dieses Einstellnetz umfaßt ein Potentiometer 118, mit dessen Schleifer der RUckkopplungswiderstand 114 verbunden ist, sowie zwei Überbrückungsklemmen 120 zur Ermöglichung eines weiteren Einstellbereichs. Der kontinuierlich arbeitende Verstärker hält das Potential an der Summierklemme 108 im wesentlichen gleich demjenigen der anderen Eingangs klemme 122 (V,) durch Änderung der Ausgangsspannung V auf der Aus gangs leitung 124, wie dies nötig ist, um den Rückkopplungsstrom gleich dem der Summierklemme zugeführten Gesamtstrom zu halten. Die Verstärker-Ausgangsspannung V ist somit eine Funktion sowohl des der Summierklemme zugeführten Gesamtstroms (der seinerseits der Frequenz proportional ist) als auch der Einstellung des Meßbereich-Einstellnetzes 116.

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Zur Ermöglichung eines Nullabgleiclis des Geberausgangs bei einer Saiten-Nenns chv/ingf requenz entsprechend einer einwirkenden Kraft gleich Null wird die Stromsummierklemme 108 mit einem einstellbaren, aber konstanten Vorspannstrom I^ von einem an eine positive Spannungsversorgungs- bzw. -speiseleitung V- angeschlossenen Widerstandsnetz 126 gespeist. Dieser Vorspannstrom wird gleich dem durch den Kondensator-Schalterkreis 100-106 von der Klemme 108£bgenommenen mittleren Strom eingestellt, wenn die S chv/ingf requenz der Saite 12 den niedrigsten Betriebswert (typischerweise etwa 1500 Hz) erreicht, entsprechend einer angelegten Kraft F von Null und einer durch eine nicht dargestellte Vorbelastungsfeder o.dgl. erzeugten, vorgewählten Vorbelastungskraft. Unter diesen Bedingungen unterdrückt der Vorspannstrom effektiv den Kondensator-Ladestrom, so daß kein Strom über den Rückkopplungsv/iderstand 114 fließt. Die Ve rs tärker-Aus gangs spannung ist daher gleich V^, unabhängig von der Einstellung des Meßbereich-Eins tellnetzea 116. Ersichtlicherweise stehen folglich die Null- und die Meßbereicheinstellung nicht in Wechselbeziehung miteinander.

Der mathematische Ausdruck für die Verstärker-Ausgangsspannung stellt sich wie folgt dar:

V = a (f - f_o) + V_b (1)

f die Schaltfrequenz,

f_Q die Schaltfrequenz bei Null und

a eine Meßbereich-Konstante

bedeuten.

Da diese Spannung der Frequenz der Saitenschwingung proportional ist, bietet die Verstärker-Ausgangsspannung V ein Maß für die auf die Saite 12 einwirkende Zugspannungskraft F. Die

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Beziehung zwischen der Spannung V und der Kraft F ist jedoch nicht-linear, weshalb die Verwendung der Spannung V als Meßsignal in vielen kritischen Anwendungsfällen, einschließlich Instrumentierungsanlagen für die Verfahrensregelung, nicht zufriedenstellend ist.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Auswirkungen dieser Nichtlinearität durch Verwendung zweier Saiten zu vermeiden, an welche unbekannte Kräfte und Bezugskräfte in einer Vergleichsanordnung derart angelegt werden, daß die nicht-linearen Wirkungen der beiden Saiten bestrebt sind, sich gegenseitig aufzuheben. Eine solche Köre truktion ist jedoch ziemlich komplex und allgemein für die Erfordernisse bei Geräten für die industrielle Verfahrensregelung unbrauchbar.

Erfindungsgemäß wird nun das Problem der Nichtlinearität auf völlig andere Weise gelöst. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung weist die offenbarte Vorrichtung nämlich elektronische Einrichtungen zur Verarbeitung der Verstärker-Ausgangsspannung V zwecks Einführung anderer Faktoren in das endgültige Meßsignal auf, um dadurch effektiv eine ziemlich lineare Beziehung zwischen dem Meßsignal und der unbekannten Kraft F herzustellen. Durch die an der Spannung V durchgeführten Operationen wird eine Frequenz/Strom-Ubertragungsfunktion eingeführt, welche der Beziehung zwischen der Saiten( zugspannung und der Saiten-Resonanzfrequenz eng angepaßt ist, wobei sich diese Beziehung wie folgt ausdrucken läßt:

T = A^² + A₂f + A₃ (2)

(worin A₁, A₂ und A, für Proportionalitätskonstanten stehen).

Zur Durchführung der genannten Operation an der Spannung V wird diese Spannung zu zwei Konditionierschaltungen 130, 132 geleitet, die an einer mit einem Operationsverstärker 136 ver-

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bundenen Suramierverzweigung 134 entsprechende Ströme I bzw. I_ erzeugen. (Diese beiden Ströme können zusammen als Strom ¹SIG ^anS^eselien werden; vergl. Fig. 1.) Die obere Schaltung 130 besteht aus einem Widerstand 140, so daß der von ihr an die Verzweigung 134 gelieferte Strom I unmittelbar proportional ist zu V - V_b, d.h. I = (V-V₁₃)ZR₁ ^₀. Da nach Gleichung (1) folgt: V - V_b = a(f-f_Q), gilt

worin b eine Proportionalitätskonstante bedeutet.

Die andere Konditionierschaltung 132 umfaßt eine regelbare Lade/Entladestromquelle für einen geschalteten Kondensator, ähnlich der vorher beschriebenen Schaltung 100 - 106; diese Schaltung wird ebenfalls durch die Rechteckwellen-Schaltersteuersignale SW "A" und "B" gesteuert. Das Potential (an) der Summierverzweigung 134 wird durch die Rückkopplungswirkung des Verstärkers I36 (noch zu beschreiben) fest auf V^ gehalten, so daß die an die Schalt-Kondensatorschaltung 132 angelegte Gesamt-Aufladespannung V-V^ entspricht. Die zweite Konditionierschaltung 132 liefert damit der Verzweigung 134 einen Strom entsprechend

¹S ^{= C}<^V - ^vb^)f

= ca(f - f_o)f (4)

worin c eine Proportionalitätskonstante bedeutet. Aus der Korabination von I_g und I ergibt sich

¹S ^{+ X}q ■ ^Ca<^f - ^fo>^{f + b}<^f - ^fO> Is + I = caf² - caff₀ + bf - bf_Q

¹S ^{+ J}q - ^B1^{f2 + B}2^{f + B}3 809816/0 792

Ein dritter Strom I einer festen, aber einstellbaren Größe wird der Summierverzweigung 134 durch einen Regelwiderstand 142 geliefert, um auf noch näher zu erläuternde Weise für den Geber oder Übertrager einen "positiven Null"-Ausgangsstrom ("live zero" output current) (z.B. 4 mA)zu erzeugen. Dieser Strom I₂ verstärkt den dritten Ausdruck B, in obiger Gleichung, während diese dennoch in derselben Grundform verbleibt.

Die Summe aus den drei Strömen I„, I„ und I_ ist gleich dem

Z (J S

Rückkopplungsstrom I-. , welcher von der Summierverzweigung 134 über einen Rückkopplungswiderstand 144 abgeht. Dieser Rückkopplungsstrom wird mit dem Laststrom I_L vom Ausgang-Lasttransistor 146 und von einem Lastwiderstand 148 kombiniert, um das Ausgang-Meßsignal I zu erzeugen. Dieser Abschnitt der Gebervorrichtung ähnelt der Konstruktion der genannten US-PS 3 948 098 und ist daher nicht näher beschrieben. Ganz kurz kann gesagt werden, daß der Operationsverstärker I36 den Leistungstransistor 146 zur Einstellung der Geber-Ausgangsspannung E auf einen Wert ansteuert, welcher das Meßsignal I im wesentlichen dem Rückkopplungs strom I«, unmittelbar proportional macht, der seinerseits gleich der Summe aus den drei Strömen I , I und I₃ ist. Es ist somit ersichtlich, daß der Rückkopplungsstrom I«_b und der Meßsignalstrom I Funktionen der Schaltfrequenz f derselben Form sind, wie obige Gleichung (5) angibt.

Es hat sich gezeigt, daß diese Schaltungsanordnung eine ziemlich wirkungsvolle Linearisierung der Beziehung zwischen der unbekannten Kraft F und dem Geber-Ausgangsstrom I_Q gewährleistet. Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei dieser Anordnung besteht darin, daß das Ausgangssignal mit einer Komponente versehen ist, die eine Mehrfachfunktion der Frequenz ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist diese Signalkomponente dem Quadrat der Frequenz proportional. Dies bedeutet, daß die Kon-

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ditionierschaltung 132 eine MuItiplikationsfunktion zum Multiplizieren des frequenzabhängigen Signals V und des Frequenzsignals vom Oszillator 32 durchführt und dabei eine Signalkomponente liefert, welche das Produkt aus diesen beiden Signalen

2 darstellt, d.h. eine Signalkomponente, die f proportional ist. Diese Schaltung führt außerdem eine der Frequenz unmittelbar proportionale Komponente sowie eine Konstante ein.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Vorspannung V_fe durch eine allgemein mit 160 bezeichnete Schaltung erzeugt, die einen zwischen die positive Speisespannung V_z und die Schaltkreis-Sammelschiene 72 geschalteten ohmschen Spannungsteiler 162, 164 aufweist. Die Verzweigung zwischen diesen Widerständen liefert eine unter V₂ liegende Bezugsspannung, die an eine Klemme eines Operationsverstärkers 166 mit einer Rückkopplungsverbindung an seiner anderen Eingangsklemme angelegt wird, so daß die Ausgangsspannung dieses Verstärkers auf der Bezu^sspannung gehalten wird. Der Verstärker hält die Größe V- für ihre verschiedenen Anwendungen in der gesamten Schaltung auf einer niedrigen Ausgangsimpedanz. In spezieller, bereits gebauter Ausführungsform der Erfindung lag der positive Pegel 70(V+) bei 8 V über dem Potential der Sammelschiene, während die Speisespannung V- um 6,4 V und V_b um 2 V über Sammelschienenpotential lagen.

Die geregelte Stromversorgung kann von beliebiger an sich bekannter Art sein, so daß sich eine genaue Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 erübrigt. Hierbei sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Potential von V+ durch einen Operationsverstärker 170 geregelt wird, der einen mit der Speiseleitung in Reihe geschalteten Feldeffekttransistor 172 ansteuert, und daß die andere Speisespannung V~ durch eine über einen Widerstand 176 gespeiste Zener-Diode 174 geregelt wird.

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Die in der vorstehenden Beschreibung und in den Patentansprüchen zu findenden Hinweise auf einen schwingenden "Draht" bzw. eine "Saite" sollen so verstanden werden, daß sie sich auf jede beliebige Art eines schwingenden Elements mit den beschriebenen Eigenschaften beziehen, welches Schwingungen mit einer Frequenz entsprechend einer angelegten Kraft erzeugt, ob nun ein solches Element üblicherweise als Draht bzw. Saite bezeichnet wird oder nicht.

Obgleich vorstehend nur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung offenbart ist, soll die Erfindung keine_swegs hierauf beschränkt sein, da dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Vorrichtung mit einem Kraftmeßgerät vom Schwingdraht- bzw. Saiten-Typ geschaffen, bei dem sich die mechanischen Bauteile an der Kraftmeßstelle befinden und der Schwingdraht bzw. die Saite über eine zweiadrige Leitung an eine entfernt angeordnete elektronische Schaltungsanordnung angekoppelt ist. Letztere umfaßt Einrichtungen zum Anregen der Saite und zur Lieferung eines Gleichstrom-Ausgangsmeßsignals entsprechend der Frequenz der Schwingung. Weiterhin umfaßt die Schaltungsanordnung eine Funktionsgeneratoreinrichtung zur Herstellung einer engen linearen Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der auf die Saite einwirkenden Kraft. Außerdem sind in der elektronischen Schaltungsanordnung Einrichtungen zur Null- und Meßbereichseinstellung des Geräts ohne Wechselwirkung zwischen den Einstellungen vorgesehen.

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Claims

The Foxboro Company
Foxboro, Mass., V.St.A.

12. OKt. 1977

Patentansprüche

1.)Gebervorrichtung zur Verwendung bei einer Instrumentierungsanlage für die industrielle Verfahrensregelung zur Lieferung eines Meßsignals entsprechend der Schwingungsfrequenz eines Schwingdraht- bzw. Saiten-Kraftmeßelements, das entsprechend einer unbekannten Kraft gespannt ist, gekennzeichnet durch Anschlüsse oder Klemmen für an den Schwingdraht bzw. die Saite angeschlossene Leitungen, durch eine elektronische Anordnung mit Saiten-Anregungseinrichtungen, die mit den Klemmen verbunden und mit elektrischem Strom speisbar sind, um eine Schwingbewegung der Saite auf einer Frequenz entsprechend der Zugspannung der Saite zu erzeugen, wobei die elektronische Anordnung weiterhin Einrichtungen zur Erzeugung eines ersten, der Schwingungsfrequenz proportionalen Signals aufweist, durch eine an die erste Signalerzeugungseinrichtung angeschlossene Funktionsgeneratoreinrichtung zur Lieferung eines zweiten Signals in Abhängigkeit von einer Mehrfachfunktion der Schwingungsfrequenz unter Gewährleistung einer nicht-linearen Übertragungsfunktions-Charakteristik, die der Übertragungscharakteristik zwischen der auf die Saite einwirkenden Kraft und der Resonanzfrequenz der Saitenschwingung zumindest praktisch angepaßt ist, und

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vI/Bl/ro

durch eine an den Ausgang der Funktionsgeneratoreinrichtung angeschlossene Einrichtung zur Lieferung eines dem zweiten Signal entsprechenden Meßsignals mit einer Charakteristik, welche gegenüber Änderungen der Zugspannung der Saite effektiv linear ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saiten-Anregungseinrichtung ein Oszillator ist, dessen Frequenz auf die Schwingungsfrequenz der Saite regelbar ist, daß die Funktionsgeneratoreinrichtung eine Multipliziereinrichtung mit zwei Eingängen umfaßt, die jeweils ein Signal entsprechend der Schwingungsfrequenz aufnehmen, und daß die Multipliziereinrichtung ein Ausgangssignal liefert, welches dem Produkt aus den an die Eingänge angelegten Signalgrößen proportional ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein an den Oszillator angeschlossener Frequenz/Gleichspannungs-Wandler zur Erzeugung eines der Schwingungsfrequenz proportionalen Gleichstromsignals vorgesehen ist, wobei dieses Signal dem einen Eingang der Multipliziereinrichtung zur Durchführung der gewünschten Multiplikationsfunktion zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Multipliziereinrichtung eine Frequenz/Gleichspannungs-Wandlereinrichtung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wandlereinrichtungen jeweils eine regelbare Gleichstromversorgung mit Einrichtungen zur Entwicklung gleich großer Inkremente elektrischer Energie und zur Abgabe der Energie mit einer der Frequenz proportionalen Häufigkeit aufweisen.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zur Anlegung eines Signals mit einer der Frequenz proportionalen Komponente an den einen Eingang, durch eine zweite Einrichtung zur Anlegung eines der Frequenz proportionalen Signals an den anderen Eingang, wobei das Ausgangesignal der Multipliziereinrichtung eine Quadratfunktion der Frequenz darstellt, und durch eine dritte Einrichtung, um mit dem Ausgangssignal der Multipliziereinrichtung eine der Frequenz unmittelbar proportionale Signalkomponente zu kombinieren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zuerst genannte Einrichtung eine Frequenz/Gleichspannungs-Wandlereinrichtung ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung, wie die erste Einrichtung, eine Frequenz/Gleichspannungs-Wandlereinrichtung ist.

9. Instrumentierungsvorrichtung für die industrielle Verfahrensregelung, um an einer Station ein elektrisches Signal entsprechend der Größe einer Verfahrensbedingung an einer von der genannten Station entfernt gelegenen Einsatzortmeßsteile zu erzeugen, wobei die Verfahrensbedingung an der Meßstelle durch eine der Größe dieser Bedingung proportionale Kraft dargestellt ist, gekennzeichnet durch ein an der Meßstelle vorgesehenes, verhältnismäßig dünnes, langgestrecktes Element aus einem solchen Material und ntt solchen Abmessungen, daß es Biegsamkeit in Querrichtung besitzt, durch Mittel zur Halterung des Elements in einem gespannten Zustand unter Ermöglichung einer Quer-Resonanzschwingung des Elements, wobei die Zugspannungskraft des Elements entsprechend Änderungen der Größe der genannten Bedingung variabel ist, um dadurch die Resonanzschwingungsfrequenz des Elements ent-

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sprechend zu ändern, durch eine zweiadrige Übertragungsleitung, deren Leitungen am einen Ende für die Zufuhr von Anregungsstrom zum Element mit diesem gekoppelt sind und welche sich von der Einsatzort-Meßstelle zur genannten Station erstreckt, durch eine elektronische Anordnung mit einer an der genannten Station vorgesehenen Element-Anregungseinrichtung zur Erzeugung von schwingender elektrischer Energie für die Zufuhr zum schwingenden Element und zur Lieferung eines entsprechenden, von der Frequenz abhängenden Signals, durch eine an der genannten Station befindliche Einrichtung zur Verbindung des anderen Endes der Übertragungsleitung mit der elektronischen Anordnung, wobei die Resonanzcharakteristik des schwingenden Elements durch die Übertragungsleitung mit einem mit der elektronischen Anordnung in Wechselbeziehung tretenden Impedanzwert übermittelt wird, um die Frequenz der Anordnung auf die Resonanzschwingungsfrequenz des Elements zu regeln, und wobei die elektrische Energie von der elektronischen Anordnung über die Übertragungsleitung an das schwingende Element anlegbar ist, um dessen Schwingung auf der Resonanzfrequenz zu erhalten, und durch eine Einrichtung zur Lieferung eines der Schwingungsfrequenz der elektronischen Anordnung entsprechenden Ausgangsmeßsignals an der genannten Station.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Element- bzw. Saiten-Anregungseinrichtung einen Oszillator aufweist, an den die Übertragungsleitung so angekoppelt ist, daß die Oszillatorfrequenz durch die über die Übertragungsleitung übertragene Resonanzfrequenz des Elements gesteuert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsädern der Übertragungsleitung mit in Längsrichtung Abstand voneinander besitzenden Punkten des Elements verbunden sind.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Übertragungsleitung an das schwingende Element ankoppelnder Transformator vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Transformator an der ferngelegenen Stelle befindet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß der Transformator ein verhältnismäßig hohes Wicklungs-(zahl)verhältnis besitzt und daß die kleinere Wicklungszahl mit dem Element verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die elektronische Anordnung an der genannten Station eine Einrichtung zur Justierung der Null- und Meßbereichseinstellungen des Ausgangs-Meßsignals aufweist, wobei die Einstellungen durch Fernbedienung von der Einsatzort-Meßstelle aus durchführbar sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Anordnung einen Frequenz/Stromwandler zur Erzeugung eines Gleichstroms entsprechend der Schwingungsfrequenz des Elements aufweist und daß die Nulleinstelleinrichtung Mittel aufweist, um mit dem Gleichstrom einen zweiten, einstellbaren Gleichstrom zu kombinieren und dadurch einen Gesamt-Nullstrom bei einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu erzeugen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

daß die elektronische Anordnung einen auf die kombinierten Gleichströme ansprechenden Verstärker umfaßt und daß die Meßbereich-Einstelleinrichtung Mittel zur Änderung des effektiven Verstärkungsgrads des Verstärkers aufweist, so

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daß keine Wechselwirkung zwischen den Einstellungen der Meßbereich- und der Null-Einstelleinrichtung auftritt.

18. Instrumentierungsvorrichtung für die industrielle Verfahrensregelung, um an einer Instrumentenstation ein elektrisches Signal entsprechend der Größe einer Verfahrensbedingung an einer entfernt gelegenen Einsatzort-Meßstelle zu liefern, wobei die Verfahrensbedingung an der Meßstelle durch eine der Größe dieser Bedingung proportionale Kraft dargestellt wird, gekennzeichnet durch ein an der Meßstelle angeordnetes, vergleichsweise dünnes, langgestrecktes Element aus einem elektrisch leitenden Material mit solchen Abmessungen, daß es Biegeelastizität in Querrichtung besitzt, durch Mittel zur Halterung dieses Elements in einem gespannten Zustand unter Ermöglichung einer Quer-Resonanzschwingung des Elements, wobei die Zugspannungskraft des Elements in Abhängigkeit von Änderungen der Größe der genannten Bedingung variabel und dadurch die Resonanzschwingungsfrequenz des Elements entsprechend änderbar ist, durch einen Dauermagneten zur Erzeugung eines Magnetfelds durch das Element quer zu seiner Längsachse, durch eine zweiadrige Übertragungsleitung, deren Leitungsadern am einen Ende mit auf Längsabstand voneinander stehenden Stellen des langgestreckten Elements verbunden sind, um dabei eine Reihen-Stromleitstrecke für einen durch die Übertragungsleitung und das langgestreckte Element fliessenden Strom zu bilden, wobei sich die zweiadrige Übertragungsleitung von der Meßstelle zur Instrumentenstation erstreckt, eine an der Instrumentenstation vorgesehene elektronische Anordnung mit einem Verstärker, der einen als Oszillator wirkenden positiven Rückkopplungskreis aufweist, durch eine an der Instrumentenstation angeordnete Einrichtung zur Ankopplung der Übertragungsleitung an den Oszillator-Rückkopplungskreis, wobei die Resonanzcha^kteristiken des schwingenden Elements durch die Übertragungsleitung mit einem mit dem positiven Rückkopplungskreis in

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Wechselbeziehung stehenden Impedanzwert übermittelt werden, um dadurch die Schwingungen des Oszillators einzuführen und seine Frequenz auf der Resonanzschwingungsfrequenz des Elements zu steuern, wobei die elektrische Energie vom Oszillator über die Übertragungsleitungen an das schwingende Eiern ent ankoppelbar ist, um das Element auf der Resonanzfrequenz schwingen zu lassen, und durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines der Schwingungsfrequenz des Oszillators entsprechenden Ausgangs-Meßsignals an der Instrumentenstation.

19. Gebervorrichtung zur Verwendung bei einer Instrumentierungsanlage für die industrielle Verfahrensregelung zur Lieferung eines Meßsignals entsprechend dem Ausgangssignal eines Kraftfühlers oder -meßelements mit einem Element, auf das eine unbekannte Kraft einwirkt, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Ausgangsfrequenzsignals, das nichtlinear auf die Größe der angelegten Kraft bezogen ist, gekennzeichnet durch Klemmen oder Anschlüsse für an das Element angeschlossene Leitungen, welche das der angelegten Kraft nicht-linear entsprechende Ausgangsfrequenzsignal führen, durch eine an die Klemmen oder Anschlüsse angekoppelte und mit elektrischem Strom gespeiste elektronische Anordnung mit Einrichtungen zur Erzeugung eines ersten Signals mit einer Charakteristik, welche der Frequenz des Ausgangssignals des Elements proportional ist, durch eine an die erste Signalerzeugungseinrichtung angeschlossene Funktionsgene ra to reinrichtung zur Lieferung eines zweiten Signals entsprechend einer Mehrfachfunktion der Frequenz des genannten Ausgangssignals und zur Gewährleistung einer nicht-linearen Übertragungsfunktionscharakteristik, die zumindest praktisch der Übertragungsfunktion zwischen der auf das Element einwirkenden Kraft und der Frequenz des Ausgangssignals angepaßt ist, und durch eine an den Ausgang der Funktionsgeneratoreinrichtung angekoppelte Einrichtung zur

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Erzeugung eines Meßsignals entsprechend dem zweitgenannten Signal und mit einer Charakteristik, die bezüglich Änderungen der auf das Element einwirkenden Kraft effektiv linear ist.

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