DE2745915C2

DE2745915C2 - Gebervorrichtung zur Verwendung bei einer Instrumentierungsanlage für die industrielle Verfahrensregelung

Info

Publication number: DE2745915C2
Application number: DE2745915A
Authority: DE
Inventors: Everett O. Wrentham Mass. Olsen; David A. Sheldonville Mass. Richardson; Donald C. Norton Mass. Simpson
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1976-10-13
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE2745915A1; NL7711213A; US4118977A; JPS6019040B2; IT1090095B; NL186037C; FR2366539B1; GB1581286A; NL186037B; JPS5352475A; FR2366539A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gebervorrichtung zur Verwendung bei einer Instrumentierungsanlage für die

industrielle Verfahrensregelung zur Erzeugung eines Gleichstrommeßsignals entsprechend der Schwingungsfrequenz eines Schwingdraht- bzw. Saiten-Kraftmeßelements, dessen Saite unter einer nnbekannten Kraft gespannt ist, mit einem ersten Paar von An-Schlüssen für an die Saite angeschlossene Leitungen, einer elektronischen Schaltungsanordnung, die mit dem ersten Paar von Anschlüssen verbunden ist, um eine Schwingungsbewegung der Saite mit einer Frequenz entsprechend deren Zugspannung und ein Wechselsignal entsprechend dieser Frequenz zu erzeugen, einer Signalerzeugungseinrichtung, die auf das Wechselsignal anspricht und ein Steuersignal in Abhängigkeit von einer Mehrfachfunktion der Frequenz des Wechselsignais erzeugt, einer Verstärkerschaltung mit einem Ein- und Ausgangsschaltkreis, Mitteln zum Zuführen des Steuersignals zum Eingangsschaltkreis der Verstärkerschaltung, Mitteln zum Verbinden der Stromversorgungsschaltung mit der elektronischen Schaltungsanordnung, der Signalerzeugungseinrichtung und der Verstärkerschaltung, um Betriebsversorgungsspannungen zu diesen zu liefern, sowie einer Stromversorgungsschaltung zur Erzeugung wenigstens einer Versorgungsspannung.

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 Schwingdrahtes 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 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 Druckschriften beschrieben; es wird hierzu beispielsweise verwiesen auf die US-PSen 24 45 021, 30 46 789,30 71 725 und 35 43 585.

In den US-PS 31 22 024 ist ein Kraft- bzw. Beschleunigungsgeber mit schwingenden Drähten offenbart, bei dem das Kraftmeßelement Anschlüsse für an die schwingende Saite angeschlossene Leitungen und eine elektronische Anordnung mit Saiten-Anregungseinrichtungen besitzt. Diese Anregungseinrichtungen werden mit elektronischer Leistung versorgt, um eine Schwingbewegung der Saite auf einer Frequenz entsprechend ihrer Zugspannung zu erzeugen, wobei die elektronisehe Anordnung Einrichtungen zur Erzeugung eines der Schwingfrequenz proportionalen Signals aufweist Dabei sind insbesondere Mittel vorgesehen, um die Amplitude der Schwingungen der Saite zu regeln.

Durch die US-PS 36 83 684 ist weiterhin eine Einrichtung zur Messung der von einer Welle übertragenen Leistung bekannt Auf dieser Welle sind zwei tangential angeordnete Saiten befestigt. Diese werden durch jeweils einen Oszillator so erregt, daß sie mit ihrer Resonanzfrequenz schwingen. Aus dem Verhältnis der Resonanzfrequenzen der beiden Saiten lassen sich das von der Welle übertragene Drehmoment sowie deren Drehrichtunc bestimmen.

Da von der Annahme ausgegangen wird, daß sich die Resonanzfrequenz der Saiten mit der Quadratwurzel der jeweils in ihr herrschenden Zugspannungen ändern, werden die Oszillatorfrequenzen, die den Resonanzfrequenzen der Saiten entsprechen, zunächst Frequenz-Multiplizierschaltungen zugeführt, die ein dem Quadrat der jeweiligen Frequenz proportionales Signal erzeugen. Um die Leistung zu ermitteln, wird das Produkt aus diesen, dem Quadrat der Resonanzfrequenz proportionales Signal und einem der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle proportionales Signal gebildet Zur Ermittlung der übertragenen Leistung erfolgt dann eine Differenzbildung der in der genannten Weise verarbeitenden Resonanzfrequenzen der beiden auf der Welle angeordneten Saiten. Diese bekannte Meßeinrichtung benötigt zusätzliche Mittel zu ihrer Versorgung, die in der genannten Patentschrift nicht näher dargestellt sind. Weiterhin eignet sie sich nicht für eine Fernmeßeinrichtung, bei der mehrere Meßstationen mit einer entfernt von diesen angeordneten Zentralstation verbunden sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gebervorrichtung für eine Instrumentierungsanlage zu schaffen, bei der der Versorgungskreis und der Meßkreis in der Weise miteinander gekoppelt sind, daß für diese nur eine gemeinsame Leitung benötigt wird Hieraus ergeben sich besondere Vorteile bei der Anwendung in Fernmeßanlagen.

Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten Gebervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Gleichstrommeßsignal über eine zweiadrige Leitung zu einer auf das Signal ansprechenden Last und einer Gleichstromquelle, die über die Leitung die gesamte Versorgung der Gebervorrichtung bewirkt, geführt ist wobei die zweiadrige Leitung von der Gleichstromquelle einen das Gleichstrommeßsignal darstellenden Gleichstrom empfängt daß mit dem Verstärker-Ausgangsschaltkreis und der zweiadrigen Leitung gekoppelte Mittel vorgesehen sind, um den Gleichstrom in Abhängigkeit mit dem dem Eingangsschaltkreis zugeführten Steuersignal zu steuern, und daß ein Rückkopplungskreis vorgesehen ist, der den Ausgangsschaltkreis mit dem Eingangsschaltkreis der Verstärkerschaltung verbindet, um Übereinstimmung zwischen dem Steuersignal und dem im zweiadrigen Ausgangsschaltkreis fließenden Gleichstrom herzustellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Gebervorrichtung mit einer elektronischen Schaltungsanordnung geschaffen, die Einrichtungen zum Anregen der Saite und zur Lieferung eines Gleichstrom-Ausgangsmeßsignals entsprechend der Frequenz der Schwingung umfaßt Weiterhin kann die Schaltungsanordnung eine Funktionsgeneratoreinrichtung zur Herstellung einer engen linearen Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der auf die Saite einwirkenden Kraft enthalten.

Außerdem können in ihr Einrichtungen zur Null- und Meßbereichseinstellung des Geräts ohne Wechselwirkung zwischen den Einstellungen vorgesehen sein.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei£t

F i g. 1 eine teilweise in Blockschaltbildform gehaltene schematische Darstellung einer bevorzugten Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung und F i g. 2 ein detailliertes Schaltbild der elektronischen

5 6

Geberelemente bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Verzögerungsschaltung 62 mit der Basis eines Transi-

Im linken Teil von F i g. 1 sind in schematisierter stors 64 verbunden ist Ein mit dem Spannungsteiler 60 Form die grundlegenden mechanischen Bauteile eines in Reihe geschalteter Kondensator 66 liefert eine ver-Schwingdraht- bzw. Saiten-Kraftmessers 10 dargestellt gleichsweise hohe Gleichspannungs-Vorspannung für Diese Bauteile umfassen einen elektrisch leitenden 5 den Transistor 64 zur Gewährleistung von Rechteck-Draht 12, der zwischen zwei Anschlüssen oder Klem- schwingungen innerhalb des Betriebsbereichs des Tranmen 14,16 gestrafft und im Luftspalt zwischen den Po- sistors. Ein anderer ohmscher Spannungsteiler 68Λ, 68ß len 18Λ, 18fi eines Dauermagneten angeordnet ist wel- zwischen der positiven Speiseleitung 70 (V+) und einer eher senkrecht zur Achse der Saite ein Magnetfeld zu Stromkreis-Sammelschiene 72 liefert die richtige Arerzeugen vermag. ι ο beitsspannung für den Transistor 58.

Diese mechanischen Bauteile der Vorrichtung befin- Die Verzögerungsschaltung 62 verlangsamt die Vorden sich an einer Fernstation nahe der Quelle der zu derflanken der vom Verstärker 52 an den Transistor 64 messenden Kraft bzw. des zu messenden Drucks. Wie angekoppelten Rechteckimpulse. Dies erfolgt zur Liefedurch den lotrechten Pfeil am oberen Ende der Saite 12 rung einer Transistorvorspannung für den Differentialangedeutet wirkt auf diese eine Kraft F unbekannter 15 verstärker 50, um kurzdauernde, hochfrequente geGröße unter Steuerung ihrer Spannung ein, so daß die dämpfte Wellenzüge, weiche den Vorderfianken der an Resonanzfrequenz der Saitenschwingung eine Funktion den Transistor 58 angelegten Rechteckimpulse aufder Kraft darstellt grund der Streuparameter des Transformators 22 fol-

Die Saiten-Klemmen 14,16 sind jeweils mit dem ei- gen, daran zu hindern, das schnelle Schalten des Vernen Ende einer Wicklung 20 eines Transformators 22 20 stärkers 50 zu stören. Im Betrieb schaltet dieser Verstärverbunden, dessen andere Wicklung 24 an die Leiter ker zu den Zeitpunkten entsprechend den Nulldurcheiner zweiadrigen Übertragungsleitung 26 angeschlos- gangen der in der Saite 12 induzierte Spannung vom sen ist, die sich zwischen der entfernten Meßpunktstelle einen Zustand in den anderen.

des Kraftmessers 10 und einer anderen, davon entfernt Die Übertragungsleitungsklemmen 74, 76 sind an die

gelegenen Station erstreckt Das abgewandte Ende der 25 beschriebene positive Rückkopplungsstrecke ange-

ubertragungsleitung 26 ist mit einer elektronischen Ge- schlossen, die zwischen dem Verstärker 52 und dem

berschaltung 30 verbunden, die im folgenden näher be- Transistor 58 verläuft, wobei die mechanischen Reso-

schrieben ist nanzeigenschaften der Saite 12 über die Übertragungs-

Kurz gesagt weist diese Schaltung 30 einen Oszillator leitung 26 in diese positive Rück- bzw. Mitkopplungs-32 auf, der in Abhängigkeit von den über den Transfor- 30 strecke übertragen werden, um eine effektive Steuemator 22 und die Übertragungsleitung 26 übertragenen rung auf die Frequenz des Oszillators 32 auszuüben. Der Resonanzcharakteristika der (schwingenden) Saite 12 Transformator 22 gewährleistet eine optimierte Anpasarbeitet und einen Rechteckwellenwechselstrom auf der sung zwischen den mechanisch-elektrischen Eigenschaf-Resonanzschwingfrequenz der Saite erzeugt Dieses ten der Saite und den elektrischen Eigenschaften des Rechteckwellensignal wird über die Leitung 26 zur Saite 35 Oszillators zur Aufrechterhaltung starker Schwingun-12 geleitet, um diese anzuregen und ihre Schwingung zu gen und eines guten Betriebswirkungsgrads. Die vom erhalten. Der vorzugsweise eine hohes Wicklungsver- Oszillator erzeugten Rechteckwellenimpulse dienen zur hältnis von z. B. etwa 30 :1 besitzende Transformator 22 Ansteuerung der Übertragungsleitung 26 und des dient zur Gewährleistung einer effektiven Impedanzan- Transformators 22, um den Schwingdraht bzw. die Saite kopplung zwischen den Eigenschaften der Saite 12 und 40 12 entsprechend der durch die Kraft F darauf ausgeübder die Übertragungsleitung einschließenden Saiten- ten Zugspannung auf seiner bzw. ihrer Resonanzfre-Anregungsschaltung. Der Transformator verbessert quenz schwingend anzutreiben.

auch das Signal/Rauschen-Verhältnis des über die Das vom Oszillator 32 gelieferte Rechteckwellensi-

Übertragungsleitung gesandten Signals. gnal wird zur Erzeugung zweier entsprechender Recht-

Der Oszillator 32 erzeugt zwei Rechteckwellen- 45 eckwellen-Schaltersteuersignale benutzt die zueinan-Schaltersteuersignale auf Leitungen 34, 36, die mit ei- der um 180° außer Phase sind. Zu diesem Zweck wird nem Frequenz/Stromwandler 38 verbunden sind. Der das Oszillatorsignal am oberen Ende des Spannungstei-Signalstrom von diesem Wandler wird einem Leistungs- ler-Widerstands 60Λ über einen Widerstand 78 an einen verstärker 40 eingegeben, der ein entsprechendes Aus- allgemein bei 80 angedeuteten Satz aus vier NOR-Gliegangs-Meßsignal auf einer anderen zweiadrigen Lei- 50 dem angekoppelt die beispielsweise vom handelsüblitung 42 erzeugt die eine Gleichspannungsquelle 44 in chen Typ CD 4001 AD sein können und von denen jedes Reihe mit einem als Widerstand 46 dargestellten Signal- mit einem Eingang an die Sammelschiene 72 angeempfangsgerät enthält das seinerseits ein Registrierge- schlossen ist Das Rechteckwellensignal des Oszillators rät o. dgL sein kann. Der Strom von der Spannungsquel- wird an den anderen Eingang des oberen NOR-Glieds Ie 44 speist eine geregelte Stromversorgung 48, welche 55 82 angekoppelt dessen Ausgang ein gegenüber dem dem Oszillator 32 und dem Wandler 38 stabilisierte Ar- Oszillatorsignal um 180° außer Phase liegendes Rechtbeitsspannungen liefert eckwellensignal ist Dieses Ausgangssignal wird dem Aus F i g. 2, welche die Einzelheiten der elektroni- zweiten NOR-Glied 84 eingespeist um ein mit dem urschen Schaltung der Gebervorrichtung 30 zeigt ist er- sprünglichen Oszillatorsignal phasengleiches Rechtecksichtlich, daß der Oszillator 32 einen Differentialverstär- 60 wellensignal zu erzeugen. Letzteres wird den beiden ker 50 zur Ansteuerung eines anderen Verstärkers 52 anderen NOR-Gliedern 86, 88 eingespeist um auf den aufweist dessen Ausgang über geteilte (positive) Rück- Leitungen 34, 36 entsprechende, noch spitzere Schaltkopplungsstrecken mit den beiden Eingängen des Diffe- Steuersignale (SW »A« und »B«) zu liefern, die zueinanrentialverstärkers 50 verbunden ist Die linke Rück- der um 180° phasenverschoben sind und die auf noch zu kopplungsstrecke verläuft über einen Widerstand 54 65 beschreibende Weise zur Ansteuerung des Frequenz/ und einen Kondensator 56 zur Basis eines Transistors Stromwandlers 38 benutzt werden.
58, während die andere Rückkopplungsstrecke über ei- Der Frequenz/Stromwandler 38 arbeitet auf der Basis nen ohmschen Spannungsteiler 60Λ, 605 und eine RC- einer Kondensator-Lade- und -Entladeschaltung, die all-

gemein in der US-PS 39 48 098 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 Vo zwischen einer festen Vorspannung Vi, an der Stromsummierklemme 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 Wechselbetriebes der Schalter an die Schaitersteuersignal-Leitungen 34, 36 (SW »A« und »B«) angeschlossen sind.

Wenn der erste Schalter 100 geschlossen ist, wird der zweite Kondensator 106 auf die Spannung Vb aufgeladen, während sich der erste Kondensator 104 entlädt. In der nächsten Halbperiode werden der erste Kondensator auf die Spannung Vb 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 Vb (beim vorliegenden Schaltersatz 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 gleichmäßig 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 Meßbereich-Einstellnetz 116 am Ausgang des Verstärkers eingeschaltet ist Dieses Einstellnetz umfaßt ein Potentiometer 118, mit dessen Schleifer der Rückkopplungswiderstand 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 Eingangsklemme 122 (Vb) durch Änderung der Ausgangsspännung V auf der Ausgangs'.eitung 124, wie dies nötig ist urn 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.

Zur Ermöglichung eines Nullabgleichs des Geberausgangs bei einer Saiten-Nennschwingfrequenz entsprechend einer einwirkenden Kraft gleich Null wird die Stromsummierklemme 108 mit einem einstellbaren, aber konstanten Vorstrom h von einem an eine positive Spannungsversorgungs- bzw. -speiseleitung V_z angeschlossenen Widerstandsnetz 1216 gespeist Dieser Vorstrom wird gleich dem durch den Kondensator-Schalterkreis 100—106 von der Klemme 108 abgenommenen

mittleren Strom eingestellt, wenn die Schwingfrequenz der Saite 12 den niedrigsten Betriebswert (typischerweise etwa 1500 Hz) erreicht, entsprechend einer angelegten Kraft F gleich Null und einer durch eine nicht dargestellte Vorbelastungsfeder ο. dgl. erzeugten, vorgewählten Vorbe'astungskraft. Unter diesen Bedingungen unterdrückt der Vorstrom effektiv den Kondensator-Ladestrom, so daß kein Strom über den Rückkopplungswiderstand 114 fließt. Die Verstärker-Ausgangsspannung ist daher gleich Vb- unabhängig von der Einstellung des Meßbereich-Einstellnetzes 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:

0)

worin

f die Schaltfrequenz,

/o die Schaltfrequenz bei einer Kraft gleich Null

und
a eine Meßbereich-Konstante

bedeuten.

Da diese Spannung der Frequenz der Saitenschwingung proportional ist bietet die Verstärker-Ausgangsspannung Vein Maß für die auf die Saite 12 einwirkende Zugspannkraft F. Die Beziehung zwischen der Spannung Vund der Kraft Fist 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 Konstruktion 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

so 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-Übertragungsfunktion eingeführt, welche der Beziehung zwischen der Saiten(zug)spannung und der Saiten-Resonanzfrequenz eng angepaßt ist, wobei sich diese Beziehung wie folgt ausdrücken läßt:

Γ = Λι/² + Atf + A₃

(2)

(worin Ai, Ai und A₃ für Proportionalitätskonstanten stehen).

Zur Durchführung der genannten Operation an der Spannung V wird diese Spannung zu zwei Schaltungen 130,132 geleitet, die an einer mit einem Operationsverstärker 136 verbundenen Summierverzweigung 134 entsprechende Ströme /, bzw. I₅ erzeugen. (Diese beiden

9 10

Ströme können zusammen als Strom hie angesehen nente dem Quadrat der Frequenz proportional. Dies werden; vergl. F i g. 1). Die obere Schaltung 130 besteht bedeutet, daß die Schaltung 132 eine Multiplikationsaus einem Widerstand 140, so daß der von ihr an die funktion zum Multiplizieren des frequenzabhängigen Verzweigung 134 gelieferte Strom /, unmittelbar pro- Signals V und des Frequenzsignals vom Oszillator 32 portional ist zu V- V₄, d.h./, - (V- ViVAi₄₀-Da nach 5 durchführt und dabei eine Signalkomponente liefert, Gleichung (1) folgt: V-Vb = a (f-fo), gilt welche das Produkt aus diesen beiden Signalen darstellt, ^!; d. h. eine Signalkomponente, die P proportional i^et. Oie-.j:':; i„-b(f—f₀) (3) se Schaltung führt außerdem eine der Frequenz unmiti{ telbar proportionale Komponente sowie eine Konstanfi| worin b eine Proportionalitätskonstante bedeutet io teein.
& Die andere Schaltung 132 umfaßt eine regelbare La- Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

5 de/Entladestromquelle für einen geschalteten Konden- wird die Vorspannung Vt durch eine allgemeine mit 160 |: sator, ähnlich der vorher beschriebenen Schaltung bezeichnete Schaltung erzeugt, die einen zwischen die $ 100—106; diese Schaltung wird ebenfalls durch die positive Speisespannung <v und die Schaltkreis-Sam- !$ Rechteckwellen-Schaltersteuersignale SW »A« und »B« 15 melschiene 72 geschalteten ohmschen Spannungsteiler I gesteuert Das Potential (an) der Summierverzweigung 162, 164 aufweist. Der Verzweigung zwischen diesen : * 134 wird durch die Rückkopplungswirkung des Verstär- Widerständen liefert eine unter Vz liegende Bezugs-

6 kers 136 (noch zu beschreiben) fest auf V₄ gehalten, so spannung, die an eine Klemme eines Operationsverstär-[f daß die an die Schalt-Kondensatorschaltung 132 ange- kers 166 mit einer Rückkopplungsverbindung an seiner I legte Gesamt-Aufladespannung V— Vb entspricht Die 20 anderen Eingangsklemme angelegt wird, so daß die I zweite Schaltung 132 liefert damit der Verzweigung 134 Ausgangsspannung dieses Verstärkers auf der Bezugs- kl einen Strom entsprechend spannung gehalten wird. Der Verstärker hält die Größe || Vb für ihre verschiedenen Anwendungen in der gesam-I /j — c(V—Vb)f ten Schaltung auf einer niedrigen Ausgangsimpedanz. I = ca (f—f₀) f (4) 25 In spezieller, bereits gebauter Ausiührungsform der Er-Ij findung lag der positive Pegel 70 CV+) bei 8 V über der. I worin ceine Proportionalitätskonstante bedeutet. Potential der Sammelschiene, während die Speisespan-

jf Aus der Kombination von /, und /, ergibt sich nung Vz um 6,4 V und Vi um 2 V über Sammelschienen-

V-, potential lagen.

[v Is + Iq" ca(f—f_o)f ■/■ b(f—f₀) 30 Die geregelte Stromversorgung kann von beliebiger

?:■ I_s + I₀ = caß—caffo + bf—bfo an sich bekannter Art sein, so daß sich eine genaue

/j I_s + I₀ = ß,/² + Bif+ Bi (5) Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß

U F i g. 2 erübrigt Hierbei sei jedoch darauf hingewiesen,

f Ein dritter Strom I_z einer festen, aber einstellbaren daß das Potential von V+ durch einen Operationsver-

i Größe wird der Summierverzweigung 134 durch einen 35 stärker 170 geregelt wird, der einen mit der Speiselei-

% Regelwiderstand 142 geliefert, um auf noch näher zu tung in Reihe geschalteten Feldeffekttransistor 172 an-

§ erläuternde Weise für den Geber oder Übertrager einen steuert, und daß die andere Speisespannung Vz durch

jf] »Null«-Ausgangsstrom (z. B. 4 mA) zu erzeugen. Dieser eine über einen Widerstand 176 gespeiste Zener-Diode

I Strom I₁ verstärkt den dritten Ausdruck ft in obiger 174 geregelt wird.

p Gleichung, während diese dennoch in derselben Grund- 40 Die in der vorstehenden Beschreibung und in den

i form verbleibt Patentansprüchen zu findenden Hinweise auf einen

I Die Summe aus den drei Strömen I₂,I₀ und I₅ ist gleich schwingenden »Draht« bzw. eine »Saite« sollen so ver-

ίί dem Rückkopplungsstrom In* welcher von der Sum- standen werden, daß sie sich auf jede beliebige Arteines

|; mierverzweigung 134 über einen Rückkopplungswider- schwingenden Elements mit den beschriebenen Eigen-

|; stand 144 abgeht Dieser Rückkopplungsstrom wird mit 45 schäften beziehen, welches Schwingungen mit einer

S dem Lastström I_L vom Ausgang-Lasttransistor 146 und Frequenz entsprechend einer angelegten Kraft erzeugt

ti von einem Lastwiderstand 148 kombiniert, um das Aus- ob nun ein solches Element üblicherweise als Draht

I gangs-Meßsignal I₀ zu erzeugen. Dieser Abschnitt der bzw. Saite bezeichnet wird oder nicht.

I Gebervorrichtung ähnelt der Konstruktion der genann-

I ten US-PS 39 48 098 und ist daher nicht näher beschrie- 50 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

I ben. Ganz kurz kann gesagt werden, daß der Opera-

ji iiortsvcrsiärker 136 den Leistungstransisior 146 zur Ein-

,g stellung der Geber-Ausgangsspannung E₀ auf einen

Wert ansteuert, welcher das Meßsignal I₀ im wesentlichen dem Rückkopphingsstrom In, unmittelbar propor- 55
tional macht, der seinerseits gleich der Summe aus den
drei Strömen I₂, I_q und /_s ist Es ist somit ersichtlich, daß
der Rückkopplungsstrom In, und der Meßsignalstrom /_o
Funktionen der Schaltfrequenz / derselben Form sind,
wie obige Gleichung (5) angibt 60

Es hat sich gezeigt, daß diese Schaltungsanordnung
eine ziemlich wirkungsvolle Linearisierung der Beziehung zwischen der unbekannten Kraft Fund dem Geber-Ausgangsstrom I₀ gewährleistet Ein wesentlicher
Gesichtspunkt bei dieser Anordnung besteht darin, daß 65
das Ausgangssignal mit einer Komponente versehen ist,
die eine Mehrfachfunktion der Frequenz ist Bei der
dargestellten Ausführungsform ist diese Signalkompo-

Claims

27 45 9ί5 Patentansprüche:

1. Gebervorrichtung zur Verwendung bei einer Instrumentierungsanlage für die industrielle Verfahrensregelung zur Erzeugung eines Gleichstrommeßsignals entsprechend der Schwingungsfrequenz eines Schwingdraht- bzw. Saiten-Kraftmeßelements (19), dessen Saite (12) unter einer unbekannten Kraft gespannt ist, mit einem ersten Paar von Anschlüssen (14,16) für an die Saite angeschlossene Leitungen, einer elektronischen Schaltungsanordnung (32), die mit dem ersten Paar von Anschlüssen verbunden ist, um eine Schwingbewegung der Saite mit einer Frequenz entsprechend deren Zugspannung und ein Wechselsignal entsprechend dieser Frequenz zu erzeugen, einer Signalerzeugungseinrichtung (38), die auf das Wechselsignal anspricht und ein Steuersignal

in Abhängigkeit von einer Mehrfachfunktion der Frequenz des Wechselsignals erzeugt, einer Verstärkerschaltung (40) mit einem Ein- und Ausgangsschaltkreis, Mitteln (134) zum Zuführen des Steuersignals zum Eingangsschaltkreis der Verstärkerschaltung, Mitteln zum Verbinden der Stromversorgungsschaltung (48) mit der elektronischen Schaltungsanordnung (32), der Signalerzeugungseinrichtung (38) und der Verstärkerschaltung (40), um Betiebsversorgungsspannungen zu diesen zu liefern, sowie einer Stromversorgungsschaltung 48 zur Erzeugung wenigstens einer Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichstrommeßsignal über eine zweiadrige Leitung (42) zu einer auf das Signal ansprechenden Last (46) und einer Gleichstromquelle (44), die über die Leitung (42) die gesamte Versorgung der Gebervorrichtung bewirkt, geführt ist, wobei die zweiadrige Leitung (42) von der Gleichstromquelle (44) einen das Gleichstrommeßsignal darstellenden Gleichstrom (I₀) empfängt, daß mit dem Verstärker-Ausgangsschaltkreis und der zweiadrigen Leitung (42) gekoppelte Mittel (146, 148) vorgesehen sind, um den Gleichstrom (I₀) in Abhängigkeit mit dem dem Eingangsschaltkreis zugeführten Steuersignal zu steuern, und daß ein Rückkopplungskreis (144,146,148) vorgesehen ist, der den Ausgangsschaltkreis mit dem Eingangsschaltkreis der Verstärkerschaltung verbindet, um Übereinstimmung zwischen dem Steuersignal und dem im zweiadrigen Ausgangsschaltkreis fließenden Gleichstrom herzustellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung einen Oszillator enthält, dessen Frequenz mit der Saitenschwingung übereinstimmt, daß Frequenz/Analog-Wandler mit dem Oszillator verbunden sind zur Erzeugung eines Gleichstrom-Analogsignals proportional zur Frequenz der Schwingung, daß eine Multiplizierschaltung mit zwei Eingängen, denen ein Frequenzsignal und ein Analogsignal zugeführt werden, und mit Mitteln zum Erzeugen eines analogen Ausgangssignals entsprechend dem Produkt aus dem Eingangsfrequenzsignal und dem zugeführten analogen Eingangssignal vorgesehen ist, daß Mittel zum Zuführen des Gleichstromsignals vom Wandler zu einem Eingang der Multiplizierschaltung vorgesehen sind, und daß Mittel zum Zuführen eines Frequenzsignals, das dem Wechselsignal entspricht, zu dem anderen Eingang der Multiplizierschaltung vorgesehen sind, wodurch das analoge Ausgangssignal wenigstens als eine Komponente des Steuersignals für die Verstärkerschaltung dienen kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsschaltkreis der Verstärkerschaltung eine Summierklemme aufweist, der dr.s analoge Ausgangssignal und ein Gleichstromsigna!, das proportional ist zur Frequenz des Wechselsignals als eine zusätzliche Komponente des Steuersignals, zuführbar sind, wodurch das Steuersignal eine Übertragungsfunktion ergibt proportional zur Summe zweier Faktoren, von denen der eine dem Quadrat der Frequenz und der andere einer linearen Funktion dieser Frequenz entspricht

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Zuführen einer Stromkomponente mit einer festen Größe zur Summierklemme vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung Mittel zum Einbringen einer ersten, zum Quadrat der Frequenz proportionalen Komponente und einer zweiten, zur Frequenz linear proportionalen Komponente in das Steuersignal enthält

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung Mittel zum Einbringen einer Komponente mit einem festen Wert in das Steuersignal enthält.

7 Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung eine FrequenzAAnalog-Wandlereinrichtung zum Erzeugen eines Gleichstrom-Analogsignals proportional zur Frequenz des Wechselsignals enthält, daß die Multiplizierschaltung auf das Analoggleichstromsignal und das Wechselsignal anspricht zur Erzeugung einer Komponente im Steuersignal, die zu dem Produkt dieser Signale proportional ist, und daß Mittel zum Vereinigen des Gleichstromanalogsignals und einer zweiten Komponente mit festem Wert sowie Mittel zum Verändern des Wertes dieser zweiten Komponente für die Justierung der Nullstellung des Instruments vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Multiplizierschaltung verbundene Mittel zum Regulieren des Verstärkungsfaktors zur Einstellung des Instrumentenbereichs vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenz/Strom-Umwandler zur Erzeugung eines Gleichstroms entsprechend der Schwingungsfrequenz der Saite und Mittel zur Einstellung der Nullstellung vorgesehen sind zum Kombinieren dieses Gleichstroms mit einem zweiten einstellbaren Gleichstrom, um einen Nullstrom bei einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung auf die kombinierten Gleichströme anspricht, und Mittel zur Änderung der effektiven Verstärkung der Verstärkerschaltung vorgesehen sind, wodurch keine Wechselwirkung zwischen der Nullstellung und der Bereichseinstellung gegeben ist.