DE2941466A1

DE2941466A1 - Instrumentenanlage fuer verfahrensmessung und -regelung

Info

Publication number: DE2941466A1
Application number: DE19792941466
Authority: DE
Inventors: David A Richardson
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1978-10-13
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1980-04-24
Also published as: IT7950525A0; FR2438828B1; GB2034038B; DE2941466C2; IT1128750B; CA1126049A; GB2034038A; NL7907407A; FR2438828A1; JPS5553798A; JPS6246916B2

Description

Die ErFindung bezieht sich auF Instrumentenanlagen Für die industrielle V/erFahrensregelung und betriFFt insbesondere eine Instrumentenanlage, bei welcher ein auF einer V/erFahrensbedingung, etwa einer Druckdi FFerenz oder dergleichen, beruhendes MeDsignal von einer MeÖstelle (Field location) zu einer SignalernpFangsstelle, etwa einem Instrumenten-Kontrollraum, übertragen wird. Die ErFindung ist im Folgenden in bevorzugter AusFührungsForm in Anwendung Für die Übertragung von Signalen beschrieben, die von einem KraftnieGFühler (Force sensor) vom Schwingdraht- bzw. Saitentyp geliüFert werden.

Saiten-KraFtmeOFühler sind seit Jahren bekannt. Neuere Entwicklungen auF dem Gebiet dieser MeOFühler Führten zu wesentlich verbessertem Leistungsvermögen, und die Verwendung von Saiten-Instrumentenanlagen hat seitdem in der Ver-FahrensregelIndustrie beträchtlich zugenommen. Ein besonders vorteilhaFtes Gerät dieser Art ist in der USA-Patentanmeldung Serial No. 834 481 beschrieben.

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Die Verwendung eines Schwingdraht- bzw. Saiten-Meßfühlers als Teil einer modernen Instrumentenanlage setzt voraus, daß ein elektrischer Signalgeber oder -übertrager für den Meßfühler vorgesehen ist, um ein der auf die Saite einwirkenden Kraft entsprechendes, geeignetes Signal zu erzeugen. Ein solcher Übertrager ist in der US-PS 4 HB 977 beschrieben. Bei diesem Übertrager umfaRt die elektronische Schaltung für den Saiten-Meßfühler einen Oszillator, der über eine zweiadrige Leitung mit der Saite verbunden ist und Schwingungen auf der Resonanzfrequenz der Saite induziert, sowie Frequenz/*" Analog-Wandlereinrichtungen zur Umsetzung der Oszillatorfrequenz in ein entsprechendes Gleichstromsignal, z.B. in der Größenordnung von 4-20 mA, das sich für die Übertragung zu einer Zentrale über eine zweite zweiadrige Leitung eignet. Bei dieser Anordnung befindet sich die elektronische Schaltung üblicherweise unmittelbar neben dem Meßfühler, doch kann sie auch in einer nicht zu großen Entfernung, die durch die Eigenschaften der mit der Saite verbundenen Doppelleitung begrenzt wird, vom Meßfühler angeordnet sein.

Die Geber- oder Übertragerschaltung nach dieser US-PS enthält auch zusätzliche Signalverarbeitungseinrichtungen zur Maßstabsanpassung bzw. Skalierung (scaling) des Gleichstromsignals an einen vorbestimmten Meßbereich und zur Charakterisierung (Kennzeichnung) des Signals zwecks Gewährleistung einer linearen Beziehung zur einwirkenden Kraft. Das endgültige Gleichstrom-Meßsignal kann daher kompatibel mit den Vorrichtungen bestehender Instrumentenanlagen verwendet werden, die ähnliche Gleichstrom-Meßfühlersignale, Steuer- oder Regelsignale und dergleichen verarbeiten, z.B. bei den rechnergesteuerten Anlagen der Art gemäß der USA-Patentanmeldung Serial No. 737,195.

Obgleich sich die beschriebene bisherige Übertragervorrichtung als zufriedenstellend arbeitend erwiesen hat, sind dennoch Verbesserungen in bestimmten, wichtigen Punkten wünschenswert. Beispielsweise hat es sich als besonders vor-

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teilhaft erwiesen, den Aufwand an Elektronik am Ort des Übertragers zu verkleinern. Ebenso hat es sich als ziemlich erstrebenswert erwiesen, zusätzliche Informationen auf demselben Übertragungskanal zwischen der Feldstation und der Zentrale oder Zentralstation übertragen zu können. Weiterhin hat die Erfahrung die Notwendigkeit dafür aufgezeigt, am Übertrager eine einfache und kostensparende Einrichtung vorzusehen, welche dem MeBstellen-Bedienungspersonal die IstgröOe des Meßwerts anzeigt, wie sie im entfernt gelegenen Schalt- oder Kontrollraum erscheint. Die Erfindung bezieht sich nun auf Verbesserungen in dieser und anderer Hinsicht.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer verbesserten Instrumentenanlage, bei welcher ein Übertrager oder Geber Zustandsmeßsignale zur Verarbeitung oder dergleichen zu einer anderen Stelle übermittelt. Dabei sollen speziell die oben erwähnten Verbesserungen realisiert werden.

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

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist die an der Meßstelle (field) benötigte elektronische Ausrüstung beträchtlich verringert, und zwar durch eine Anordnung, bei welcher der Übertrager ein schnell variierendes Wechselsignal liefert, das über die übliche Doppel(ader)leitung zum Kontrollraum übertragen wird. Die Meßinformation wird dabei durch die Frequenz dieses Wechselsignals dargestellt. Im Kontrollraum sind geeignete Signal Verarbeitungsgeräte vorhanden, durch welche das eingehende Frequenzsignal in ein entsprechendes Analogsignal, z.B. in ein Spannungssignal von 0 - 10 V, umgewandelt wird. Darüber hinaus erfüllen die Signalverarbeitungsgeräte noch andere, zweckmäßige Funktionen, wie Skalierung (scaling) der Signalgröße zur Anpassung an einen vorbestimmten oder vorgeschriebenen Meßbereich und

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Linearisierung des Signals.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung können zusätzliche Signalinformationen über die das schnell variierende Wechselsignal führende Doppelleitung übermittelt werden, um eine zusätzliche oder HiIfsfunktion zu erfüllen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Gleichstrompegel auf der Doppelleitung entsprechend dieser zusätzlichen Information langsam variiert wird. In bevorzugter Ausführungsform wird diese zusätzliche Information vom Kontrollraum zum Übertrager übermittelt, um eine Anzeige für das anhand des unaufbereiteten, vom Übertrager gelieferten Frequenzsignals im Kontrollraum erzeugte, endgültig verarbeitete MeQsignal zu liefern. Letzteres steht am Übertrager in Form eines Gleichstromsignals zur Verfügung, so daß es ohne weiteres durch herkömmliche Anzeigeelemente wiedergegeben werden kann, um dem Meßstellenpersonal die Größe der endgültigen, im Kontrollraum entwickelten Messung anzuzeigen. Diese Sichtanzeige begünstigt die Aufstellung oder Installation und den Abgleich des betreffenden Teils der Instrumentenanlage.

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

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Instrumentenanlage mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung der grundsätzlichen Teile der Anlage nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild des Geber- bzw. Übertragerteils der Anlage nach Fig. 2 und

Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild des Kontrollraumteils der Anlage nach Fig. 2.

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-1 ΠΙ ig. 1 \/ο r;ni!ii;liaii 1 i Uli t an der linkun jo i I i: uitmii an dor fU.-lis I ι; 11 e montierten Neil fiihl e r IU in Form liiujü I) i I r c itjii t ι a I drucl:- bzw. D ι m I: il i f fe r lm, zinoUge rü t is vom ücIki ι iiijilr üh t - Liu/. Sait.untyp, ω i υ iüj häufig für ii ι ο Messung von S t rniiiungüiiiün-gen oder Durchua t ziuun yea won S trömungsnii t teln ui ikjjuü L ζ L wird. Die L in^u ] Iu; ι Leu des llüüfühlers finden siuh in dor yonunnten USA-Pa leu La mne1 dung Serial No. Ü34 401. Kurz gesagt, ü/oiüL (Ji υ st; a CeiäL einen straff eingespannten Draht auf, der entsprechend dem gemessenen Differentialdruck unLer Zugspannung gesetzt u/ird, so dafl seine Resonanzfrequenz eine Funktion des D i f f eren t i a 1 drucks bzu/. der Druckdifferenz ist. Dieser S c Ji \u i η g d r a 111 bzu/. die Saite ist mit einer U s ζ i 1 IaI ο rschaltung gekoppelt, die einen Teil einer Übertragereinheit 12 bildet und vorgesehen ist, um körperliche Schwingungen in der Saite auf deren Resonanzfrequenz zu i inluzieren.

Der Übertrager 12 ist über eine zvi/eiadrige Übertragungsleitung 14 mit einer Signalempfangsausrüstung in einer entfernt gelegenen Zentralstation bzu/. Zentrole verbunden, beispielsweise in einem Kontrol1 raum, der sich in einer Entfernung von bis zu etwa 1325 in von der Feld- bz\n. NeOs te 1 le be finden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform (Fig. 1) enthält die Kontrollraumausrüstung eine Leiterplatte 16, auf welcher Schaltkreise zur Durchführung der Signalverarbeitung und anderer noch zu beschreibender Funktionen vorgesehen sind. Die Doppelleitung überträgt zum Kontrollraum ein schnell variierendes Signal, das als Übertrager-Oszillatorausgangssignal abgenommen u/ird, so daß die Frequenz dieses Wechselsignals der Zugspannung des Schu/ingdrahts bzw. der Saite entspricht, wobei diese Zugspannung ihrerseits der einwirkenden und zu messenden Kiaft entspricht. Eine Schaltung auf der Leiterplatte 16 wandelt dieses "uiiau fberei te te" Wechsels igna 1 in ein analoges l^v)^eUsignal in der Größenordnung von U - IC) \l um, das entsprechend verarbeitet wird, um eine genaue Messung der Druckdifferenz zu liefern. Dieses Analogsignal wird einem wei-

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-liieren Autjvüütungstuil der Gesamtanlage gemüfl Fig. 1 zuguführt , welcher zur Vereinfachung als an sich bekannte Anzeigevorrichtung 10 veranschaulicht ist, wie sie beispielsweise in der USA-Patentanmeldung G09 14Q beschrieben ist.

Gemäü einem Merkmal der Erfindung führt die zweiadrige bzw. Doppelleitung IA eine Gleichstromkomponente eines endlichen Mittelwerts, und die Übertragerschaltung an der MeQstelle enthält Einrichtungen, weli.he diese Mittelwert-Gleichstromkomponente zur Lieferung des gesamten elektrischen Arbeitsstroms für den Oszillator ausnutzen und gleichzeitig an die Doppelleitung das schnell variierende Spannungssignal entsprechend der Frequenz der Saitenschwingung anlegen.

GemäO einem anderen Merkmal der Erfindung ist die Grüße der durchschnittlichen bzw. Mittelwertkomponente des Gleichstroms auf (Jer Doppelleitung 14 mit vergleichsweise niedriger Frequenz (z.B. zwischen 0 und 5 Hz) steuerbar, so daß auf diese Weise zusätzliche Informationen zwischen den beiden Stationen übertragen werden können. In bevorzugter Ausführungs furin vermag die im Kontrollraum vorgesehene Schaltung die Mittelwert-Gleichstromkomponente entsprechend der Größe des endgültigen, analogen Meßsignals zu variieren, nämlich des geeichten (scaled) und 1inearisierten Signals, das aus dem unaufberei te ten Meßsignal vom Übertrager 12 abgeleitet worden ist. Diese modifizierte Analogsignal information steht auf diese Weise an der entfernt gelegenen Meßstelle zur Verfügung und kann beispielsweise zur Ansteuerung eines Sichtanzeigegeräts benutzt werden, beispielsweise des bei 20 angedeuteten Strommeßgeräts. Die Lieferung dieser Information zur Meßstelle kann das Bedienungspersonal bei der Sicherstellung einer einwandfreien Arbeitsweise der Anlage untersützen.

Gemäß Fig. 2, in welcher die Meßanlage näher veranschaulicht ist, ist der Meßführer 10 symbolisch durch den Schwingdraht b^w. die Saite 30 veranschaulicht, die zwischen Haltern

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32 und 34 verspannt und über einen Transformator 36 elektrisch an einen Oszillator 3ü angekoppelt ist. Dieser Oszillator liefert in an sich bekannter Weise Energie zur Saite 3D, um diese auf ihrer Resonanzfrequenz schwingen zu lassen, welche ihrer Zugspannung entspricht.

An den Oszillator 38 sind zwei Schaltungen 40 und 42 angeschlossen, die ihrerseits in Reihe miteinander und in Reihe mit der Doppelleitung 14 geschaltet sind. Am anderen Ende der Doppelleitung ist die eine Ader 14A über einen Widerstand 44 an eine positive Spannungsquelle angeschlossen. Die andere Leitungsader 14B ist über eine Konstantstromquelle 48 mit einem Transistor 50 und einem Emitter-Widerstand 52 zur Minusklemme der Spannungsquelle zurückgeführt. Dei dieser Anordnung fließt durch die Doppelleitung ein konstanter Strom I , dessen Größe zum Teil durch den Emitter-Widerstand 52 bestimmt u/ird und der durch die an der Basis des Transistors 50 anliegende Spannung regelbar ist.

Der erste Reihenkreis 40 enthält eine Zenerdiode 54, die mit einem Transistor 56 parallel geschaltet ist, dessen Oasis an die Ausgangsklemme 58 des Oszillators 38 angeschlossen ist. Das Oszillator-Ausgangssignal schaltet den Transistor 56 mit vergleichsweise hoher Frequenz, z.B. im Bereich von 1700 - 3000 Hz, entsprechend der Schwingfrequenz der Saite 30 abwechselnd zwischen seinem Durchschalt- und Sperrzustand. Wenn der Transistor sperrt, flieQt der Strom I über die

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Zenerdiode 54, die eine Durchbruch-spannung von etwa 3 \l besitzt. Wenn der Transistor 56 dagegen durchgeschaltet ist, fließt der Strom I_r über den Transistor, der eine Sättigungsspannung von etwa 0,25 \l besitzt. Die Schaltung 40 legt somit an die Doppelleitungen 14 eine schnell variierende Wechselspannung mit einer Amplitude von etwa 2,75 V.

Ein Teil des an der Doppelleitung liegenden Stroms I fließt über den zweiten Reihenkreis 42, der eine weitere

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Zcnerdi ode 6Ü enthält. Dieser Reihenkreis bzw. diese Schaltung erzeugt eine Gleichspannung, die aufgrund der Charakteristik oder Kennlinie der Zenerdiode auf eine konstante GrüOe geregelt ist und als Speise-Gleichspannung für den Oszillator 38 und alle zugeordneten Schaltungselemente am Übertrager 12 dient.

Die schnell variierende bzw. hochfrequente Wechselspannung vom ersten Reihenkreis 40 wird über die Doppelleitung 14 und einen Doppelkondensator 62 zu einer allgemein mit 64 bezeichneten Signal Verarbeitungsschaltung geliefert. Diese Schaltung führt verschiedene, getrennte Funktionen zur Umwandlung des unverarbeiteten Wechselsignals vom Übertrager 12 in ein entsprechend bzw. einwandfrei aufgearbeitetes analoges MeQsignal durch, das mit den anderen, in der gesamten Instrumentenanlage verwendeten Informations- und Steuersignalen kompatibel bzw. vereinbar ist.

Die Signal verarbei tungsschal tung 64 utnfaGt, genauer gesagt, einen Frequenz/Analog-Wandler 70 zur Lieferung eines Analogsignals, das der frequenz des auf der Doppelleitung 14 eingehenden Wechselsignals proportional ist. Weiterhin enthält die Signalverarbeitungsschaltung eine Signalcharakterisiereinrichtung 72, welche die vom Übertrager 12 gelieferten Signaldaten zur Gewährleistung einer linearen Beziehung zwischen der Größe des endgültigen MeQsignals und der Größe der auf die Saite einwirkenden Kraft behandelt. Weiterhin enthält die Signalverarbeitungsschaltung eine Skaliereinrichtung 74, welche die Null- und Bereichskennlinien des endgültigen Meßsignals einstellt, um bei der dargestellten Ausführungsform, genauer gesagt, ein Spannungssignal in der Größenordnung von 0 - 10 V zu erzeugen.

Das endgültige analoge Meßsignal vom Signalverarbeitungsausgang 76 wird einer Differentialsummiervorrichtung 80 zu- . sammer) mit einem Gleichspannungssignal eingegeben, das vom Lmitter-WLderstand 52 über ein filter 02 geleitet worden ist.

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Der Differentialausgang der Summiervorrichtung ist mit einem Verstärker 04 verbunden, welcher die Basis des Konstantstromquellen-Transistors 50 ansteuert. Diese Schaltung gewährleistet eine Rückkopplungssteuerung, durch welche der Strom über den Transistor 50 kontinuierlich auf eine Größe eingestellt wird, welche unmittelbar der Größe des skalierten Meßsignals am Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung 64 entspricht bzw. proportional ist.

Da der über den Transistor 50 fließende Strom derselbe ist wie der Strom I auf der Doppelleitung 14, liefert dieser Strom am Übertrager 12 eine genaue Information für die tatsächliche Größe des endgültigen Meßsignals, das aus dem unverarbeite ten Wechselmeßsignal vom Oszillator 38 entwickelt worden ist. Dieser Gleichstrom fließt über das Meßgerät 20, um dem Meßstellenpersonal eine leicht ablesbare Anzeige für den tatsächlichen bzw. Ist-Meßsignalpegel zu liefern, der durch die Instrumentenanlage im Kontrollraum eingestellt wurde.

Gemäß Fig. 3, welche den Schaltungsaufbau des Übertragers 12 veranschaulicht, ist die Sekundärwicklung des Schwingdraht- bzw. Saiten-Transformator 36 mit einem Oszillatorkreis 3B verbunden, welcher im wesentlichen demjenigen nach der eingangs genannten US-PS entspricht. Dieser Oszillator enthält einen Differential verstärker 90 zur Ansteuerung eines zweiten Verstärkers 92, dessen Ausgang über geteilte positive Rückkopplungsstrecken an die Eingänge des DifferentialVerstärkers 90 angekoppelt ist. Im Betrieb liefert dieser Oszillator an seiner Ausgangsklemme 50 ein Rechteck-Wechselsignal mit der Resonanzfrequenz der Saite im Meßfühler 10.

Das an der Ausgangsklemme 58 erscheinende Rechteck-Oazillatoc^signal wird über einen Verstärker 96 zu einem in Darlington-Schaltung angeordneten Transistorschaltkreis 98 mit Transistoren 55 und 56 geleitet. Wie erwähnt, ist der Transistor 56 mit einer in Reihe zur Doppelleitung 14 angeordneten

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Zehnercliode 54 paral le l^jgeschal te t, wobei er an diese Leitung ein Rechteck-Wechselspannungssiynal mit einer Amplitude von etwa 2,75 \l anlegt. Zur Doppelleitung ist außerdem eine zweite Zenerdiode 60 in Reihe geschaltet, die aus dem
Gleichstrom auf der Doppelleitung eine einseitig gerichtete Spannung entwickelt, die als Speisespannung für den Oszillator 3Ü und für alle mit Strom zu versorgenden Schaltkreiselemente am Übertrager dient.

Gemäß Fig. 4, die in einem Schaltbild die Anordnung der Kontro11raumelektronik für die Meßanlage zeigt, wird das
über die Doppelleitung 14 eingehende Rechteckwellen-Wechselspannungssignal über einen Kondensator 62 an eine Signali ιΐιμίι ls-Kondi tionierschal tung 1ÜO angelegt, die einen Vorverstärker 102 enthält. Das Ausgangssignal dieses Vorverstärkers wird über eine Reihenschaltung aus NOR-Gliedern 104,
106, 108, 110 geleitet, die im wesentlichen der betreffenden Anordnung gemäß der eingangs genannten US-PS entsprechen. Die Ausgänge der beiden letzten NOR-Glieder 108 und 110 liefern scharfe Rechteckwellen-Schaltersteuersignale A und B, die - wie in Fig. 4 graphisch eingezeichnet - zueinander um 180° außer Phase sind. Diese Schaltersteuersignale dienen zur Betätigung bzw. Ansteuerung des Frequenz/Analog-Wandlers zur
Entwicklung eines analogen Meßsignals aus dem unverarbeiteten Wechselsignal auf der Doppelleitung 14.

Die Rechteckwellen-Schaltersteuersignale A und B werden zu Schaltern S, bzw. S_? geleitet, die über in Reihenschaltung angeordnete Kondensatoren 112, 114 geschaltet sind und diese Kondensatoren bei der Frequenz des Wechselsignals auf der Leitung 14 abwechselnd kurzschließen. Die obere Klemme des oberen Kondensators 112 wird über einen Widerstand 116, der mit einer geregelten Oezugsspannungsquelle V_R verbunden ist, mit Strom gespeist. Ein parallel^geschaltetes Potentiometer 118 und ein Trennwiderstand 120 sorgen für eine Ableitung eines · einstellbaren, kleinen Anteil dieses Stroms zur Ermöglichung eines "Null-Abgleichs" der Instrumentenanlage auf noch zu

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beschreibende Weise.

Wie in der US-PS 4 180 977 beschrieben, wird durch Betätigung der Schalter S, und S„ der vom Widerstand 116 aufgenommene Strom mit einer frequenz absorbiert, welche der Resonanzfrequenz der Schalterbetätigung proportional ist. Der vom Widerstand 116 aufgei mmene Überschußstrom, d.h. der Strom, der nicht vom Kondensator-Schalterkreis absorbiert oder über das Nullabgleich potentiometer 110 abgezweigt wird, wird zu einer Klemme eines Operationsverstärkers 130 geleitet und fließt dann über einen negativen bzw. Gegenkopplungswiderstand 132, der um diesen Verstärker herum geschaltet ist. Bei der Einstellung der Vorrichtung für den Betrieb wird das Nullabgleich-potentiometer 118 so eingestellt, daß eine Strommenge abgezweigt wird, bei welcher eine Verstärker-Ausgangsspannung gleich Null geliefert wird, wenn am Heßfühler 10 eine

Null betragende Druckdifferenz anliegt. Unter diesen Bedingungen besaß der Schwingdraht bzw. die Saite 30 bei einem (bereits gebauten) Meßfühler bei einer Eingangskraft gleich Null eine Resonanzfrequenz von etwa 1700 Hz.

Bei dieser Anordnung ist das Ausgangssignal des Verstärkers 130 eine Gleichspannung, welche der Differenz zwischen der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Saite und ihrer Nullein gang- Resona η zfr (M]UtMi ζ (f-f ) unmittelbar proportional ist. Diese Gleichspannung wird als Eingangssignal einem zweiten Kondensator-Schal te ιkreis 134 ei η ge speist , welcher dem zuerst beschriebenen Schalterkreis ähnlich ist und zwei durch die Schaltfirsteuersigna1e A bzw. B angesteuerte Schalter S3 bzw. 54 aufweist. Dieser Kondcnsator-Schalterkreis erfüllt eine Hu1tiplizierfunktion zur Erzeugung eines Stromflusses, welcher dem Produkt au« erstens der Ausgangsspannung des vorgeschalteten Verstärkers und zweitens der frequenz der Schalterbetätigung proportional ist. Da das Ausgangssignal des vorgeschalteten Verstärkers somit der Null-korrigierten Saiten-Resonanzfrequenz (f-f ) proportional ist, enthält der vom Schalterkreis 134 erzeugte Strom eiredem Quadrat der Resonanzfrequenz proportionale Komponente.

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Diese vom Kondensator-Schalterkreis 134 erzeugte Quadrat-Übertragungsfunktion dient zur Charakterisierung des gelieferten Strom signals zur Er niü glichung einer Linearisierung der Ueziehung zwischen dem Strom und dem anliegenden Different i a I druck . Dieser Strom wird an die eine Eingangsklemme eines zweiten Operationsverstärkers 136 angelegt, und er fließt sodann über einen Gegenkopplungs-Widerstand 138 zu einem an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Bereichseinstell netz 14 0. Letzteres enthält ein Einstellpotentiometer 142 sowie in Reihe geschaltete Widerstände 144 und 146.

Dem Eingang des zweiten Operationsverstärkers 136 wird außerdem über einen mit dem Kondensator-Schalterkreis 134 parallel^gescha1 te ten Widerstand 150 ein Strom eingespeist, welcher der Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers 130, d.h. der Nu 11-korrigierten Resonanzfrequenz (f-f ) der Saite proportional ist. Dieser Strom dient zur weiteren Charakterisierung bzw. Kennzeichnung des dem zweiten Operationsverstärkers 136 zugeführten Gesamtstromsignals zur Gewährleistung einer Verfeinerung der Linearisierung der Beziehung zwischen dem Signal und dem anliegenden Di f f e r e η t i a 1 d r u c k .

Die Ausgangsspannung dieses Operationsverstärkers 136 beträgt Null, wenn am Meßfühler 12 ein Differentialdruck bzw. eine Druckdifferenz gleich) Null anliegt. Bei Eingangssignalen einer endlichen Große enthält das V/ers tärker-Ausgangssignal zwei frequenzabhängige Komponenten, von denen die eine dem Quadrat der Saiten-Resonanzfrequenz und die andere der ersten Potenz dieser Resonanzfrequenz proportional ist. Diese beiden Komponenten gewährleisten eine sehr enge oder genaue Charakterisierungsanpassung an die nicht lineare Beziehung zwischen der anliegenden oder einwirkenden Kraft und der Resonanzfrequenz der Saite, so daß an Ausgangsklemmen 160 eine; Ausgangsspannung erscheint, die sich im wesentlichen in bezug auf den auf den Meßfühler

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- 10-einw i rkenden Di f f ereri t i a lclruck ) ineur ändert.

Die Ausgangsspannung an ilen Klemmen 160 steuert außerdem einen Gegenkopp luncjsk re i s 162 zur Steuerung oder Einstellung des in der Doppelleitung 14 fließenden Gleichstroms an. Zu diesem Zweck wird die Ausgangsspannung zu einem allgemein mit 164 bezeichneten Widerstandsnetz geleitet, das a u 0er dem an die De ζ ugs spannung V„ und an eine -15 V-Sainnielschiene angeschlossen ist, um eine Umsetzung des Ausgangssignals von 0 - 10 V auf einen Dereich durchzuführen, welcher dem Dereich des Leitungsstroms von 4 - 20 mA angepaOt ist. Die resultierende umgesetzte bzw. umgewandelte Spannung wird über eine Leitung 166 dem einen Eingang eines Spannungs/Strom-Wandlers 16Q aufgeprägt, der als Differentialsummiervorrichtung (vgl. 80 in Fig. 2) dient. Der andere Eingang des Wandlers wird mit einer Spannung gespeist, die über ein Verhältnis(eins teil)-Netz 170 mit geeigneten, nicht dargestellten Filterelementen vom oberen Ende des Emitter-Widerstands 52 der Konstantstromquelle 4Ü geliefert wird. Das Ausgangssignal des Wandlers 160 steuert ein in Darlingtonschaltung angeordnetes Transistorpaar 50, 51 zur Steuerung oder Regelung des Leitungsstroms über den Widerstand 52 an, so daß dieser Strom der Ausgangsspannung an den Klemmen 160 folgt. Das Meßgerät 20 am Übertrager 12 liefert somit eine unmittelbare HeDstellenanzeige für die tatsächliche bzw. Ist-Größe cJes an der Ausgangsklemme 160 entwickelten endgültigen Ana Iog-MeOs ignals.

Bezüglich der spezifischen Schaltungseinzelheiten der Signa 1 verarbeitungsvorrichtung im Kon Lrol1raum ist darauf hinzuweisen, daß die De zugsspannung V. durch eine Zenerdiode 170 geliefert, wird, die vun der -15 V-Sainme lschiene iiUR nespo i u t w i rd und zur Erzeugung einer Dezugsspannung von etwa 9 V dient. Diese Zenerdiode ist durch zwei in Reihe geschaltete Dioden 172 und 174 überbrückt, deren Verbindungspunkt bzw. Verzweigung 176 mit dein (gemäß Fig. 4) rechten Ende eine ti an den Aus gang des ersten Operationsverstärkers

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130 angeschlossenen Widerstands verbunden ist, um zu verhindern, daß die Spannung an diesem Punkt im nachgeschalteten Kondensator-Schalterkreis 134 den sicheren Bereich für die Schalter S3 und S4 übersteigt. An beiden Kondensator-Schalterkreisen sind Kondensatoren 17U und 180 zur Ausfilterung der von der Schalterbetätigung herrührenden Hochfrequenz-Komponenten vorgesehen.

Obgleich vorstehend nur eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.

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Claims

Henkel, Kern, FeilerCrHänzel Patentanwälte

Registered Representatives before the ^_n. . European Pad<#t/pffi4p6

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The Füxboro Company Möhlstraße37

D 8000 München 80

Foxboro, Mass., U.S.A.

Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

900.121

12. Okt. 1979

Patentansprüche

Inatrumentenanlage mit einem Kraftmeßfühler, bei dem ein schwing fähiger Draht bzw. eine Saite in Abhängigkeit won einer Eingangskraft unter Zugspannung setzbar ist, so daß die Resonanzfrequenz der Saite ein MaQ für die einwirkende Kraft darstellt, mit einem mit der Saite gekoppelten und im Zusammenwirken mit ihr ein Oszillatorsignal auf Saiten-Resonanzfrequenz erzeugenden Oszillator, mit Signalverarbeitungseinrichtungen (64, 102, 104, 106, 108, 110, 72, 74), die einen Frequenz/Analog-Wandler (70, 134, 136, 130, 150, S,, S„, 178) umfassen, und mit einer zweiadrigen Übertragungsleitung, die am einen Ende an den Oszillator und am anderen Ende an die Signalverarbeitungseinrichtungen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daü die Übertragungsleitung (14) dem Frequenz/Analog-Wandler ein schnell variierendes Wechselsignal mit einer dem Oszillatorsignal entsprechenden Frequenz zuführt, woraufhin der Wandler ein analoges MeOsignal nach MaOgabe der Oszi1 la tor frequenz liefert, daü eine Gleichstromsignaleinrichtung (168, 50, 51, 52, 48, 80, 82, 84) vorgesehen ist, die auf der Übertragunguleitung (14) ein dem analogen Meßsignal entsprechendes Gleichstromsignal erzeugt, und daß an das eine Ende der Übertragungsleitung

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eine Anzeigeeinrichtung (20) angeschlossen ist, die eine Sichtanzeige für die Größe des in der Übertragungsleitung fließenden Gleichstromsignals zu liefern vermag.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der KraftmeOfühler in einer Feld- bzw. Meßstation und die Signalverarbeitungseinrichtungen in einer Zentralstation bzw. Zentrale angeordnet sind, daß das Gleichstromsignal ein 1ive-zero-Signal ist, bei dem die zweiadrige Übertragungsleitung ständig von einem Strom mit einem nicht unter einer vorbestimmten Größe liegenden Pegel durchflossen wird, und daß an einem Übertrager eine Stromversorgung vorgesehen ist, die im Zusammenwirken mit dem Gleichstromsignal eine einseitig gerichtete Speisespannung zur Versorgung aller mit Strom zu speisenden Elemente am Übertrager liefert.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal Verarbeitungseinrichtungen weiterhin eine Skaliereinrichtung (scaling means) zur Lieferung des analogen Meßsignals mit vorbestimmter Null- und Bereichs-Charakteristik aufweisen.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Skaliereinrichtung das analoge Signal mit einer Nullgröße liefert, welche einer Null betragenden, auf den Kraftmeßfiihler einwirkenden Kraft entspricht.

5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen weiterhin eine Linearisiereinrichtung zur Gewährleistung einer linearen Beziehung zwischen dem Analogsignal und der einwirkenden Kraft aufweisen.

6. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gleichstromsignal liefernde Einrichtung eine regelbare Konstantstromquelle umfaßt.

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7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen mit der zweiadrigen Übertragungsleitung in Reihe geschalteten und einen Emitter-Widerstand aufweisenden Transistor umfaßt und daß die das Gleichstromsignal liefernde Einrichtung zusätzlich Mittel zum Vergleichen des Pegels der Spannung über den Widerstand mit der Größe des analogen Meßsignals sowie zur kontinuierlichen Einstellung des Potentialunterschieds zwischen der Basis des Transistors und dem abgewandten Ende des Emitter-Widerstands aufweist, um ein Nachfolgen (tracking) des Gleichstroms gegenüber dem analogen Meßsignal zu gewährleisten.

8. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager eine Einrichtung aufweist, die an die zweiadrige Übertragungsleitung ein Wechselspannungssignal anlegt, ohne die Größe des über die Konstantstromquelle fließenden Stroms zu beeinträchtigen.

9. Anlage nach Anspruch Q, dadurch gekennzeichnet, daß die das Spannungssignal anlegende Einrichtung eine mit der Übertragungsleitung in Reihe geschaltete Zenerdiode und einen mit der Zenerdiode parallelgeschalteten und durch den Oszillator betätigten bzw. angesteuerten Schalter um faßt.

ΙΟ. Instrumentenanlage zur Durchführung von Verfahrenszustandsmessungen an einer Meßstelle und zur Übertragung entsprechender Signale zu einer anderen Stelle, mit einer Geberoder Übertragerstation, einem einen Teil der Übertragerstation bildenden Verfahrenszustands-Meßfühlerelement, einem an der Übertragerstation vorgesehenen und mit dem Meßfühlerelement verbundenen Signalgenerator zur Lieferung eines Geber- bzw. Übertragersignals mit einer vom jeweiligen Verfahrenszustand abhängigen Frequenz, einer Signalempfangsstation, einer die Übertragerstation mit der Signalempfangsstation verbindenden zweiadrigen bzw. Doppelleitung und einer an der Signalempfangsstation

vorgesehenen und mit der Doppelleitung verbundenen Gleichstromversorgung (V , V , 44, + 15 V-Sammelschiene) , um in der Doppelleitung einen Stromfluß mit Mittelwert-Gleichstromkomponenten einer endlichen Größe zu erzeugen, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den Ausgang des Signalgenerators mit der Doppelleitung (14) verbindende Einrichtung (40, 54, 56, 58, 60), um der Doppelleitung ein wechselndes Meßsignal entsprechend bzw. in Abhängigkeit von der Frequenz des Signalgeneratorausgangs zu liefern, durch einen an der Signalempfangsstation mit der Doppelleitung verbundenen Frequenz/Analog-Wandler (64, 70 - 74, 102 110, 134, 130, 136, 150, 178, S₁, S₂), der ein analoges Meßsignal in Abhängigkeit von der Frequenz des wechselnden MeDsignals auf der Doppelleitung zu erzeugen vermag, durch eine an einer der Stationen vorgesehene, auf eine vorbestimmte Veränderliche ansprechende, regel- oder steuerbare Einrichtung (162, 164, V_R, 166; 168, 80, 82, 84), durch eine an der einen Station mit der steuerbaren Einrichtung und der Doppelleitung gekoppelte, ein Gleichspannungssignal liefernde Einrichtung (48, 50, 51, 52), welche die Größe der Mittelwert-Gleichstromkomponente auf der Doppelleitung entsprechend der vorbestimmten Veränderlichen zu variieren vermag, und durch eine an der anderen Station vorgesehene und mit der Doppelleitung verbundene, auf ein Signal ansprechende Einrichtung (20), welche auf die Größe der durch die Gleichspannungssignal-Einrichtung gesteuerten oder geregelten Mittelwert-Gleichstromkomponente anspricht, um Informationen entsprechend der vorbestimmten Veränderlichen zwischen den beiden Stationen zu übertragen und gleichzeitig das wechselnde Meßsignal von der Übertragerstation zur Signalempfangsstation zu übertragen.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,daß die Gleichspannungssignal-Einrichtung eine mit der Doppelleitung in Reihe geschaltete Konstantstromquelle

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aufweist und daß die regel- oder steuerbare Einrichtung mit der Konstantstromquelle verbunden ist, um den Pegel des durch letztere der Doppelleitung aufgeprägten Stroms einzustellen.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen mit der Doppelleitung in Reihe geschalteten Transistor aufweist, daß an den Transistor ein Emitter-Widerstand angeschlossen ist und daß die regel- oder steuerbare Einrichtung die Spannung zwischen der Basis des Transistors und dem abgewandten Ende des Emitter-Widerstands einzustellen vermag.

13. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die regel- oder steuerbare Einrichtung auf das analoge Meßsignal ansprechende Mittel zur Einstellung des Strompegels auf der Doppelleitung entsprechend dem Meßsignal aufweist und daß an der Übertragerstation eine auf den durch die regel- oder steuerbare Einrichtung eingestellten Strompegel ansprechende Einrichtung vorgesehen ist.

14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager bzw. die Übertragerstation eine den Strompegel anzeigende Anzeigeeinrichtung aufweist.

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