DE3213857C2

DE3213857C2 -

Info

Publication number: DE3213857C2
Application number: DE3213857A
Authority: DE
Inventors: Taizo Kyoto Jp Yagi
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1981-04-22
Filing date: 1982-04-15
Publication date: 1988-03-31
Also published as: DE3213857A1; JPS57176496A; US4494089A; JPH0115120B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweidraht-Umsetzer, insbesondere für Meßele ment-Schaltungen mit einem ersten, dem Meßelement zugeordneten Schalt kreis und einem zweiten, diesem gegenüber durch eine Trennübertrager-Anord nung galvanisch getrennten zweiten Schaltkreis.

Ein solcher Zweidraht-Umsetzer kann dazu dienen, beispielsweise die von einer pH-Sonde abgegebenen Spannungssignale in Form von Stromsignalen über einen Zweidraht-Übertragungskanal zu einem Anzeigegerät oder derglei chen weiterzuleiten.

Damit überhaupt eine Informationsübertragung möglich ist, erfordert die durch den Zweidraht-Umsetzer bewirkte Trennung des dem Meßelement zuge ordneten ersten Kreises von dem zweiten Kreis eine Modulation der Spannungs signale. In diesem Zusammenhang wurde bereits die Amplitudenmodulation (kurz "AM") angewandt, wie zum Beispiel in der JP-AS 44 479/1979 oder in der DE-AS 11 28 159 und der DE-AS 11 91 593 angegeben. In den beiden letztge nannten Fällen handelt es sich um eine Anordnung zur Vielfachanzeige von Meßwerten, bei der als Anzeigeeinrichtung eine Kathodenstrahlröhre dient und bei der die Meßwerte in schneller Folge nacheinander abgetastet und induktiv in Impulse umgewandelt werden, die in ihrer Amplitude mit dem von den Meß stellen abgegebenen Anzeigestrom moduliert sind und zur Steuerung der An zeigeröhre herangezogen werden. Da die AM auf Amplitudenänderungen eines Trägers beruht, ist eine wichtige Voraussetzung bei dieser Modulationsart eine gleichförmige und von Störeinflüssen wie Stromversorgungsschwankungen (Netzteil), Temperaturschwankungen und dergleichen freie Trägeramplitude. Aus diesem Grund muß ständig eine mit hohem Leistungsverbrauch verbunde ne relativ große elektrische Mindestleistung aufgebracht werden.

Bei einem weiteren bekannten Zweidraht-Umsetzer (US-PS 35 73 599) wird das Meßsignal mit Hilfe eines Zerhackers in ein Wechselspannungssignal umge wandelt und in dieser Form mittels eines Übertragers von einem ersten Schalt kreis auf einen zweiten Schaltkreis übertragen und dort wieder in ein Gleich spannungssignal rückgewandelt. Um Versorgungsspannungsschwankungen des Zerhackers sowie eines im Übertragungsweg liegenden Verstärkers zu eli minieren, ist dort mit Hilfe eines weiteren Übertragers ein Rückkoplungskreis vorgesehen, über den der Zerhacker durch das im zweiten Schaltkreis ge wonnene Gleichstromsignal beeinflußt wird. Abgesehen davon, daß sich hier durch eine relativ aufwendige Lösung ergibt, ist der Rückkopplungskreis seinerseits Störeinflüssen unterworfen, die das Linearitätsverhalten der An ordnung nachteilig beeinflussen.

Es ist aber auch schon die Frequenzmodulation (kurz "FM") angewandt worden.

Bei der Anwendung von FM werden die dem Meßelement abgegebenen Span nungssignale in Form von Frequenzänderungen des Trägers übertragen, so daß die Amplitudenstabilität und Harmonie des Trägers von untergeordneter Bedeutung ist. Dafür bringt die FM-Methode, weil der Übertragungsfaktor (bzw. der Übertragungs-Wirkungsgrad) und die Leistungsaufnahme eines Stromkrei ses von der Frequenz eines Trägers abhängenden Schwankungen unterworfen sind, andere Schwierigkeiten wie die, daß die Linearität verschlechtert wird und außerdem teuere Spezialbauelemente wie Spannungs/Frequenzwandler notwendig sind, mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Zweidraht- Umsetzer zu schaffen, der mit einer sehr geringen elektrischen Leistung betreibbar und in seinem Linearitätsverhalten weitgehend unbeeinflußbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurzgefaßt im Patent anspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteran sprüchen enthalten.

Der Grundgedanke der Erfindung geht dahin, ein von dem Meßelement ab gegebenes Spannungssignal mittels einer Pulsphasenmodulation (kurz "PPM"), die sich von der AM und der FM unterscheidet, von dem ersten auf den zweiten Schaltkreis zu übertragen.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachstehend unter Bezug auf eine Zeichnung in beispielsweiser Ausfüh rungsform näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Blockschaltbilds,

Fig. 2 ein Diagramm mit in der Schaltung von Fig. 1 auftretenden Signalen, und

Fig. 3 ein Beispiel für den Verstärkerkreis einer pH-Sonde.

Der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bil dende in Fig. 1 schematisch dargestellte Zweidraht-Umsetzer enthält einen einem hier nicht dargestellten Meßelement unmittelbar zugeordneten ersten Schaltkreis 1 und einen von dem Meßelement fernliegenden zweiten Schaltkreis 2. Durch zwei dazwischenliegende Trenntransformatoren 3 und 4 sind die beiden Schaltkreise 1 und 2 elektrisch völlig voneinan der getrennt. Der dem Meßelement zugeordnete erste Schalt kreis 1 enthält eine aus jeweils einem Spannungskomparator 5, Rechteck-Oszillator 6, ersten Phasenkomparator 7 und ersten Siebglied 8 gebildete Phasenmodulationsschaltung 9, und als Stromversorgung für diese Schaltung 9 eine Gleich richterschaltung 15 und einen Spannungsstabilisator 16. Der dem Meßelement fernliegende zweite Schaltkreis 2 enthält eine aus jeweils einem Bezugs-Rechteckoszillator 10, zweiten Phasenkomparator 11, zweiten Siebglied 12 und Spannungs/ Stromwandler 14 gebildete Demodulatorschaltung 13 sowie - zu deren Stromversorgung - einen Spannungsstabilisator 17, der über Zweidraht-Übertragungskanäle l ₁ und l ₂ mit elektrischer Energie gespeist wird.

Der Spannungskomparator 5 nimmt eingangs eine Signalspannung V _s des Meßelements sowie eine Rückführspannung V _f auf und liefert seinen Ausgang an den beispielsweise einen spannungs steuerbaren Oszillator (IC) enthaltenden Rechteck-Oszillator 6, welcher seinerseits ein Rechtecksignal P ₁ mit vom Ausgang des Komparators 5 abhängiger Phase (s. Fig. 2) abgibt. Dieses Rechtecksignal P ₁ und ein über den ersten Trenntransformator 3 aus dem Bezugs-Rechteckoszillator 10 bezogenes Bezugs-Recht ecksignal P ₂) werden in den beispielsweise ein logisches Exclusiv-ODER-Glied enthaltenden ersten Phasenkomparator 7 eingeführt, damit derselbe ein von der Phasendifferenz zwi schen dem Rechtecksignal P ₁ und dem eine stets konstante Fre quenz aufweisenden Bezugs-Rechtecksignal P ₂ abhängiges Aus gangssignal P ₃ mit dementsprechender Pulsbreite (s. Fig. 2) abgibt. Dieses Signal P ₃ wird nach seiner Glättung durch das aus Widerstand und Kondensator bestehende erste Siebglied 8 als letztlich mit einer Abhängigkeit von der Signalspannung V _s veränderbare Rückführspannung V _f an den Spannungskomparator 5 abgegeben. In diesem Schaltungszweig wird die Phase des Recht ecksignals P ₁ mit dem Ziel der Spannungsgleichheit V _f = V _s eingeregelt und dabei die Signalspannung V _sphasenmoduliert. Das damit phasenmodulierte Rechtecksignal P ₁ wird über den zweiten Trenntransformator 4 in den zweiten Phasenkomparator 11 übertragen, welcher das gleiche logische Glied wie der erste Phasenkomparator 7 enthält, außer diesem Signal P ₁ noch das konstante Bezugs-Rechtecksignal P ₂ aufnimmt und ein dem Vergleichsergebnis entsprechendes Ausgangssignal P ₄ über das dem Siebglied 8 gleichartige zweite Siebglied 12 an den Span nungs/Stromwandler 14 abgibt. Durch die Schaltungseinheiten 11 und 12 wird das Rechtecksignal P ₁ zu einer Spannung demo duliert, die proportional und gleich der Signalspannung V _s des Meßelements ist und von dem Spannungs/Stromwandler 14 in ein Stromsignal umgesetzt wird, das über die Zweidraht- Übertragungskanäle l ₁ und l ₂ auf den Eingang einer Meßein richtung, Stromversorgungseinrichtung o. dgl. übertragen wird.

Als Richtwert für einen auch den notwendigen Versorgungs strom für einen derartigen Zweidraht-Umsetzer enthaltenden Signalstrom gilt 4 mA bis 20 mA. Der Eigenverbrauch des Um setzers ohne End-Stromsteuerstufe liegt bei 4 mA. Das vor stehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel arbei tet sogar mit 2 mA völlig einwandfrei. Bei einem 4 mA betra genden Signalstrom kann mit dem etwa 2 mA übersteigenden Reststromanteil eine Zusatzschaltung, die beispielsweise nach Zugang eines Sensorsignals die Signalspannung V _s liefert, mit Strom versorgt werden.

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer solchen Zusatzschal tung ist in Fig. 3 ein an sich bekannter Verstärkerkreis ei ner pH-Meßsonde schematisch dargestellt. Er umfaßt u. a. einen Verstärker A ₁ als Impedanzwandler für ein von einer Glaselektrode Ge abgegebenes Signal, eine mit einem Ther mistor Th verbundene Temperaturkompensierschaltung Tc für den Ausgleich von Temperatureinflüssen im Bereich der Glas elektrode, einen variablen Widerstand VR ₁ zum Angleichen eines heterogenen elektrischen Potentials zwischen der Glas elektrode Ge und einer Bezugselektrode R, einen variablen Widerstand VR ₂ zum Anpassen der Empfindlichkeit der Glaselek trode und einen Verstärker A ₂ zur Abgabe der Signalspannung V _s. Diese Schaltung hat einen Stromverbrauch von 2 mA.

An diesen Verstärkerkreis können auch andere Sensor-Typen wie beispielsweise eine Ionen-empfindliche Elektrode, eine ORP-Elektrode o. dgl. angeschlossen werden; in jedem Fall erfüllt er neben seiner Eigenschaft als Verstärker die Aufgaben als Zusatzschaltung.

Ferner können auch andere an sich bekannte Schaltungen, die zur Verstärkung eines von einem in direktem Kontakt mit einer Probe befindlichen Sensor wie einer Leitfähig keitsmeßelektrode, einer elektromagnetischen Fluß-Meßsonde o. dgl. abgegebenen elektrischen Signals zu der Signalspan nung V _s geeignet sind, als Zusatzschaltung eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäße Zweidraht-Umsetzer hat folgende vorteil hafte Wirkungen:

a) Durch Anwendung der PPM (Pulsphasenmodulation) bei der Übertragung der von einem Meßelement abgeleiteten Signal spannung V _s von einem dem Meßelement zugeordneten Schaltkreis 1 über Trenntransformatoren 3, 4 auf einen meßelementfernen zweiten Schaltkreis 2 werden Spannungs- und/oder Frequenz abweichungen wirksam vermieden. Da auch die Übertragungsei genschaften der Transformatoren unverändert gleich bleiben, werden einwandfrei lineare Übertragungseigenschaften erzielt.
b) Es braucht nur eine Phasendifferenz zwischen den beiden Schaltkreisen 1 und 2 ermittelt zu werden; der Spannungspe gel des modulierten Rechtecksignals kann, da die Phasenmo dulation und Demodulation angewandt wird, Änderungen unter worfen sein. Im Vergleich zu mit AM arbeitenden herkömmli chen Ausführungen hat die erfindungsgemäße Umsetzerschaltung einen sehr geringen Leistungsverbrauch.
c) Da, wie schon unter b) erläutert, nur die Phasendifferenz bekannt sein muß, können selbst Frequenzänderungen oder Verän derungen der Glättungsschaltungs-Konstanten während des Be triebs die Linearität und Stabilität des Umsetzers nicht ver schlechtern. Er kann deshalb aus preiswerten handelsüblichen Bauelementen hergestellt werden und benötigt keinerlei Hoch qualitätsbauteile wie etwa die mit FM arbeitenden Typen.
d) Infolge drastisch reduzierter Leistungsaufnahme kann er bei vergleichbarer Versorgungsspannung größere Signalwerte liefern als die herkömmlichen Ausführungen. Durch seine zu sätzlichen Versorgungsmöglichkeiten bei Vorschaltung von Zusatzschaltungen wie die erwähnten Verstärker- bzw. Wand lerkreise vor die Eingangsstufe des erfindungsgemäßen Um setzers kann ein solcher gleich für mehrere verschiedene Sensoren ausgenutzt werden.
e) Der erfindungsgemäße Umsetzer bietet somit ein ganzes Paket von Vorzügen und vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, die ihn allen bisherigen AM- und FM-Ausführungen weit über legen machen.

Claims

1. Zweidraht-Umsetzer, insbesondere für Meßelement-Schaltungen mit einem ersten, dem Meßelement zugeordneten Schaltkreis und einem zweiten, diesem gegenüber durch eine Trennübertrager-Anordnung galvanisch ge trennten zweiten Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet,

- daß der erste Schaltkreis (1)
- a) einen Spannungskomparator (5) enthält, der eine Signalspannung (V _s) des Meßelements mit einer von der Signalspannung abhängigen Rückführ spannung (V _f) vergleicht;
- 2b) einen Rechteckoszillator (6) zur Abgabe eines durch das Ausgangssignal des Spannungskomparators beeinflußten Rechtecksignals (P ₁) aufweist;
- 2c) aus einem ersten Phasenkomparator (7) zur Ermittlung eine Phasendifferenz zwischen dem Rechtecksignal (P ₁) und einem über einen ersten Trennüber trager (3) der Trennübertrager-Anordnung zugeführten Bezugs-Rechtecksignal (P ₂) besteht;
- d) ein erstes Siebglied (8) zur Glättung des Ausgangssignals (P ₃) des Phasen komparators (7) enthält und damit eine zur Erzeugung der Rückführspannung (V _f) bestehende Phasenmodulationsschaltung (9) aufweist, und daß
- der zweite Schaltkreis (2)
- e) einen Bezugs-Rechteckoszillator (10) zur Lieferung des Bezugs-Rechteck signals (P ₂) enthält;
- f) einen zweiten Phasenkomparator (11) aufweist, der das über einen zweiten Trennübertrager (4) der Trennübertrageranordnung von dem Rechteckoszilla tor (6) zugeführte Rechtecksignal (P ₁) mit dem Bezugs-Rechtecksignal (P ₂) ver gleicht;
- g) eine Demodulatorschaltung (13) aufweist, mit einem das Ausgangssignal (P ₄) des zweiten Phasenkomparators (11) glättenden zweiten Siebglied (12); und
- h) einen das von dem zweiten Siebglied gelieferte Spannungssignal in ein an einen Zweidraht-Übertragungskanal (l ₁, 1 ₂) abzugebendes Stromsignal um setzenden Spannungs/Stromwandler (14) aufweist.

2. Zweidraht-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Meßelement direkt zugeordnete Schalt kreis (1) eine Gleichrichterschaltung (15) und einen Spannungsstabilisator (16) als Stromversorgungseinrichtung aus dem Bezugs-Rechteckoszillator (10) über den ersten Trenntransformator (3) mit elektrischer Energie gespeist wird.

3. Zweidraht-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schaltkreis (2) als Stromversorgungs einrichtung für die Demodulatorschaltung (13) und den Spannungs/Strom wandler (14) einen Spannungsstabilisator (17), aus der dem Zweidraht- Übertragungskanal (1 ₁, 1 ₂) mit elektrischer Energie gespeist wird, umfaßt.

4. Zweidraht-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Phasenkomparator (7 und 11) logische Schaltungen enthalten.