DE3311662A1 - Rechteckwellenstrom-generator - Google Patents
Rechteckwellenstrom-generatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Rechteckwellenstrom-Generator zur Speisung einer Erregerspule für die Erzeugung
eines Magnetfelds mit einem festen, seine Richtung periodisch umkehrenden Erregerstrom. Insbesondere betrifft
die Erfindung einen Rechteckwellenstrom-Generator zur Verwendung bei einem elektromagnetischen Strömungsmesser
mit Rechteckwellen-Erregersystem.
Elektromagnetische Strömungsmesser, die ein Rechteckwellen-Erreger-
oder -Anregungssystem verwenden, sind an sich bekannt. Bei einem bisherigen elektromagnetischen
Strömungsmesser dieser Art wird ein eine feste Größe besitzendes, seine Polarität mit einer gegebenen Periode
änderndes Magnetfeld im wesentlichen unter einem rechten Winkel zur Strömungsrichtung eines leitfähigen Strömungsmittels angelegt, wobei eine im Strömungsmittel erzeugte
Spannung mittels zweier Elektroden abgenommen und die Strömungsmenge (oder -geschwindigkeit) des Strömungsmit-
20
- -sr -3
tels auf der Grundlage des so erhaltenen Meßwerts bestimmt
wird. Bei diesem Strömungsmesser kehrt sich die Richtung des Magnetfelds und somit auch der abgegriffenen Spannung
periodisch um, so daß die gemessene Spannungsgröße weniger stark elektromagnetischen Störeinflüssen unterworfen
ist, die auf eine einseitig gerichtete bzw. unidirektionale Wechselwirkung zwischen den Elektroden und dem
Strömungsmittel zurückzuführen sind. Außerdem können Störsignale (noise), die durch die Änderung der Verkettung
zwischen einem elektrischen Stromkreis aus den Elektroden und dem Strömungsmittel sowie dem das Magnetfeld
bildenden Magnetfluß erzeugt werden, durch Messung des Erregerstroms, während seine Amplitude im wesentlichen
fest(gelegt) ist, herabgesetzt werden, weil der Erregerstrom ein Rechteckwellenstrom ist. Außerdem können auf
Streukapazität in den Leitungen und der Erregerspule, mit den Elektroden gekoppelt (interlinked), zurückzuführende
Störsignale vermindert werden. Aufgrund dieser Vorzüge vermag der elektromagnetische Strömungsmesser eine
stabile Strömungsmengenmessung zu gewährleisten.
Der bisherige, die geschilderten Vorzüge bietende Rechteckwellenstrom-Generator
besitzt im allgemeinen den im folgenden beschriebenen Aufbau. Eine Gleichstromversorgung
ist über einen Konstantstromkreis an die Eingangsklemmen von vier Schalttransistoren angeschlossen, die
eine Brückenschaltung bilden. An die Ausgangsklemmen der Transistoren ist eine Erregerspule angeschlossen, über
die ein Erregerstrom in Form einer symmetrischen Rechteckwelle fließt. Positive und negative Spannungsausgänge
vom symmetrischen Rechteckwellenstrom-Generator werden abwechselnd den gegenüberliegenden Transistorpaaren in
der Brückenschaltung aufgeprägt, wobei ein sich mit einer vorgegebenen Periode umkehrender, gleich große positive
und negative Amplituden besitzender Erregerstrom durch
die Erregerspule fließt. Zwischen die Gleichstromversorgung und die Brückenschaltung sind ein Widerstand zur
Erregerstrommessung und ein Transistor für Konstantstromsteuerung,
um den Erregerstrom auf einer vorbestimmten Größe zu halten, geschaltet. Der über den Konstantstromsteuer-Transistor
fließende Strom wird durch das Ausqangssignal eines Operationsverstärkers gesteuert bzw. eingestellt,
dessen Eingang ein Gleichspannungs-Bezuqssignal von einem Bezugssignalgenerator sowie ein durch den über
den Meßwiderstand fließenden Strom hervorgerufener Spannungsabfall aufgeprägt werden, wobei der Operationsverstärker
den Konstantstromsteuer-Transistor mit einem der Differenz zwischen den beiden Einqangssignalen äquivalenten
Basisstrom speist. Der durch den Basisstrom aktivierte Transistor stellt den Erregerstrom so ein, daß die
beiden, dem.Operationsverstärker zugeführten Eingangssignale gleich groß sind. Richtung und Amplitude des Erregerstroms
werden somit entsprechend dem Bezuqsspannungssignal und dem Spannungssignal vom symmetrischen Rechteckwellenstrom-Generator
eingestellt.
Beim Rechteckwellenstrom-Generator mit dem beschriebenen Aufbau kann unter Verwendunq einer einziqen Stromversorgung
ein konstanter Strom in zwei Richtunaen zum Fließen gebracht werden. Dieser Generator ist jedoch immer noch
mit den folgenden Mänqeln behaftet: Die Basisströme der beiden Transistoren von den vier Transistoren der Brükkenschaltunq,
die an der Seite des Meßwiderstands und des Konstantstromsteuer-Transistors lieqen, fließen
nicht über die Erregerspule, sondern über den Meßwiderstand. Infolqedessen lieqt ein Fehler bzw. eine Unstimmiqkeit
zwischen den Amplituden des Erreqerstroms und des Bezugsspannungssiqnals vor. Außerdem führen Streuströme
an den vier, die Brückenschaltunq bildenden Transistoren Fehler ein. Von diesen Fehlern kann der den
- Ar - ^
Basisströmen zuzuschreibende Fehler durch Verwendunq von MOSFETs ausqeräumt werden. Die derzeit verfüqbaren FeIdeffektt
ransistoren benötiqen iedoch eine zusätzliche Stromversorqunq sowie die Gleichspannunqsversorqunq zur
Lieferunq positiver und neqativer Erreqerströme. Außerdem
erfordert dieser bisheriqe Generator eine ziemlich qroße Zahl von Transistoren, einschließlich der vier
Transistoren in der Brückenschaltung und des Konstantstromsteuer-Transistors. Die vier Transistoren der Brükkenschaltunq
müssen zum Schalten des Erreqerstroms von einem Hochleistunqstyp sein. Da der Erreqerstrom im Betrieb
ständig über zwei der vier Transistoren in der Brückenschaltunq und über den Konstantstromsteuer-Transistor
fließt, verbrauchen diese drei Transistoren ziemlieh viel elektrische Leistung. Hierdurch werden die
Transistoren, und somit die gesamte Schaltung, weniger zuverlässig.
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Rechteckwellenstrom-Generators mit weniger
Bauteilen als beim bisherigen Generator und mit einer Schaltung solcher Auslegung, daß die Größe eines über
eine Erregerspule fließenden Erregerstroms der Größe eines über ein Strommeßelement bzw. einen -widerstand
fließenden Stroms gleich ist.
Diese Aufqabe wird bei einem Rechteckwellenstrom-Generator,
der eine Erreqerspule zur Erzeuqunq eines Maqnetfelds mit einem Erreqerstrom speist, der seine Fließrichtuner
periodisch umkehrt, erfindunqsqemäß qelöst durch einen zur Lieferunq des Erreqerstroms dienenden Stromversorqunqsteil
mit einer Mittelklemme oder -anzapfunq, durch in Reihe über den Stromversorqunqsteil qeschaltete
Steuerelemente mit einer Mittelklemme oder -anzapfung in der Mitte der Reihenschaltunq, durch ein in Reihe mit
der Erregerspule zwischen die beiden Mittelklemmen geschaltetes
Strom-Meßelement zur Lieferung einer Spannung entsprechend dem Erregerstrom, durch einen Bezugssignalgenerator
zur abwechselnden Lieferung von positiven und negativen Rechteckwellenspannungssignalen gleicher
Amplitude mit einer vorgegebenen Periode und durch einen mit dem Ausgangssignal des Strom-Meßelements und dem
Rechteckwellenspannungssignal vom Bezugssignalgenerator gespeisten Verstärkerteil zur abwechselnden Lieferung von
Durchschalt- und Sperrsignalen zu den Steuerelementen auf beiden Seiten der zweiten Mittelklemme, um dabei
einen bezüglich Periode, Amplitude und Polarität dem Rechteckwellenspannungssignal entsprechenden Erregerstrom
über die Erregerspule fließen zu lassen.
Der erfindungsgemäße Rechteckwellenstrom-Generator bietet
gegenüber dem bisherigen Generator die folgenden Vorteile: Die erfindungsgemäß verwendeten Steuerelemente sind auf
die in Reihe über den Stromversorgungsteil geschalteten Elemente beschränkt und vermögen sowohl die Erregerstromumschaltung
als auch die Konstantstromsteuerung oder -regelung durchzuführen. Im Gegensatz zum bisherigen
Generator dieser Art benötiqt der erfindunqsgemäße Generator weder eine Brückenschaltung für die Erregerstromumschaltung,
noch zusätzliche Steuerelemente für die Konstantstromsteuerung. Außerdem können bei ihm alle
über die Erreqerspule fließenden Erreqerströme über das Erregerstrom-Meßelement qeführt werden, so daß der Erregerstrom
mit qroßer Genauigkeit gemessen werden kann.
Demzufolge können die Konstantstromsteuerung des Erregerstroms und die Aufrechterhaltung einer festen Amplitude
eines durch den Erregerstrom gebildeten Magnetfeldes mit großer Genauigkeit erreicht werden. Die Verwendung
einer kleineren Zahl von Steuerelementen ermöglicht eine Senkung des Stromverbrauchs durch diese EIe-
mente. Der erfindunqsqemäße Generator arbeitet mithin mit
qerinqerem Temperaturanstieg und damit mit wirtschaftlicherer Enerqienutzunq.
In bevorzuqter Ausführunqsform wird eine mit einer Wechselspannunqsversorqunq
verbundene Spannunqsverdoppler-Gleichrichterschaltung als Erreqerstromquelle für den Generator
verwendet. In diesem Fall wird Strom durch einen der beiden, die Spannunqsverdoppler-Gleichrichterschaltung
bildenden und abwechselnd eine Gleichrichtung bewirkenden Schaltkreise in der einen und durch den anderen
Schaltkreis in der anderen Richtung geführt. Bei der Umkehrung der Fließrichtung des Erregerstroms kann bei
dieser Anordnung ein in der Gleichrichterschaltung vorgesehener Kondensator, über den bisher kein Erregerstrom
geflossen ist, im voraus auf die Spitzenspannung der Wechselstromversorgung aufgeladen werden, so daß die im
Kondensator gespeicherten elektrischen Ladungen in der Anfangsphase der Erregerstromumkehrung an die Erregerspule
angelegt werden können. Die Anstiegszeit des Erregerstroms kann daher stark verkürzt werden, so daß der
Erregerstrom nach der Umkehrunq schnell eine vorbestimmte Rechteckwellenamplitude erreichen kann. Beim erfindungsgemäßen
Rechteckwellenstrom-Generator wird der über die einzelnen Steuerlemente fließende Strom durch die Meßeinheit
des Operationsverstärkers gesteuert, welche die Differenz zwischen der Größe eines Spannungsabfalls am
Erregerstrom-Meßwiderstand und einer durch den Bezugssignalgenerator gelieferten Bezugsspannung erfaßt und
dann die Basisströme der Steuerelemente nach Maßgabe der Spannungsdifferenz ändert. Auch wenn die Spannungsdifferenz
sehr klein ist, beginnen die Steuerelemente sofort zu arbeiten und die über die Spule fließenden Ströme
mit hoher Ansprechempfindlichkeit zu steuern, so daß der Strom dem Bezugsspannungssignal entspricht.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Rechteckwellenstrom-Generators
gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 bis 5 Schaltbilder dreier Ausführungsformen des Bezugssignalgenerators beim erfindunqsqemäßen
Rechteckwellenstrom-Generator und
Fiq. 6 und 7 Schaltbilder weiterer Ausführunqsformen
der Erfindung.
Fiq. 1 veranschaulicht in einem Schaltbild eine qrundsätzliehe
Ausführunqsform des erfindunqsqemäßen Rechteckwellenstrom-Generators.
Ein Stromversorqunqsteil 10 umfaßt dabei zwei in Reihe qeschaltete Stromquellen 12 und
14 gleicher Kapazität, an deren Verbindung oder Verzweigung eine Mittelklemme oder -anzapfung 16 vorgesehen ist.
Die Kollektoren eines npn-Transistors 18 und eines pnp-Transistors 20 als Steuerelementpaar sind an Plus- bzw.
Minusklemme des Stromversorgungsteils 10 angeschlossen, während die Emitter dieser Transistoren 18 und 20 über
eine Mittelklemme 22 beide an Masse liegen. Dioden 24 und 26 zum Schütze der Transistoren 18 bzw. 20 sind zu
letzteren parallel geschaltet. Zwischen die Mittelklemmen 16 und 22 sind eine Erregerspule 28 zur Erzeugung eines
vorbestimmten Magnetfelds und ein Strommeßelement bzw. ein Meßwiderstand 30 zur Messung eines über die Erregerspule
28 fließenden Stroms geschaltet. Die Basiselektroden der Transistoren 18 und 20 sind über Widerstände 32
bzw. 34 mit der Ausgangsklemme eines Operationsverstärkers
36 verbunden, dessen nicht-invertierende Eingangsklemme mit der Verzweigung zwischen Erregerspule 28 und Meßwiderstand
30 verbunden ist, während seine invertierende Eingangsklemme an einen Bezugssignalgenerator 38 zur Lieferung
eines symmetrischen Rechteckwellenspannungssignals bzw. Bezugsspannungssignals, das mit einer vorgegebenen
Periode und einer vorgegebenen Amplitude variiert, angeschlossen
ist. Als Transistoren 18 und 20 können n- bzw. p-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp verwendet werden.
Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch
unterscheidet, daß die npn- und pnp-Transistoren 18 bzw. 20 in der Schaltung nach Fig. 1 gegeneinander
vertauscht sind, die Verzweigung zwischen der Erregerspule 28 und dem Meßwiderstand 30 an die invertierende
Eingangsklemme eines Verstärkerteils bzw. Operationsverstärkers 36a angeschlossen ist und der Ausgang des
Bezugssignalgenerators 38 mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36a verbunden
ist. In diesem Fall können ebenfalls p- und n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp für pnp- und npn-Transistoren
20 bzw. 18 verwendet werden.
Die Fig. 3 bis 5 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen
des Bezugssignalgenerators 38. Der Bezugssignalgenerator 38a gemäß Fig. 3 umfaßt einen Umschalter
40 und zwei in Reihe geschaltete Bezugsspannungsquellen (voltage references) 42a und 42b derselben Kapazität.
Die Verzweigung zwischen den Bezugsspannungsquellen 4 2a und 42b liegt dabei an Masse. Der Umschalter 40 weist
eine Ausgangsklemme 40a und Eingangsklemmen 40b und 40c auf, die mit der invertierenden Eingangsklemme des
Operationsverstärkers 36, der Plus-Klemme der Bezugs-
Spannungsquelle 42a bzw. der Minusklemme der Bezugsspannungsquelle
42b verbunden sind. Der Umschalter 40 arbeitet nach Maßgabe eines Befehlssignals, das von einem
Befehlssignalgenerator 46 mit einer vorgegebenen Periode geliefert wird, wobei die Ausgangsklemme 40a mit der
vorgegebenen Periode abwechselnd zwischen den Eingangsklemmen 40b und 40c umgeschaltet wird. Auf diese Weise
wird ein Bezugsspannungssignal bzw. ein symmetrisches Rechteckwellenspannungssignal, das mit der vorgegebenen
Periode variiert, von der Ausgangsklemme 40a zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36 geliefert.
Beim Bezugssignalgenerator 38b gemäß Fig. 4 ist die Eingangsklemme 40b des Umschalters 40 über einen Umsetzer-
bzw. Inverterkreis 50 mit der Eingangsklemme 40c und außerdem mit der Plus-Klemme einer einzigen Bezuqsspannungsquelle
42 verbunden. Die Ausgangsklemme 40a ist an ein Potentiometer 48 angeschlossen, dessen eines Ende
an Masse liegt. Eine Schleiferleitung 48a des Potentiometers ist mit der invertierenden Eingangsklemme des
Operationsverstärkers 36 verbunden. Die Eingangsklemme 40b liegt, bezogen auf Massepotential, an einem positiven
Potential, während die Eingangsklemme 40c an einem negativen Potential liegt. Wenn der Umschalter 40 in Abhängigkeit
vom Befehlssignal des Befehlssignalgenerators 46 arbeitet, wird daher die invertierende Eingangsklemme
des Operationsverstärkers 36 mit demselben Bezugsspannungssignal wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 beschickt.
Das Potentiometer 48 dient zur Einstellung der !Amplitude des dem Operationsverstärker 36 qelieferten Bezuqsspannunqssiqnals,
um damit die Amplitude des über die Spule 28 zu führenden Erregerstroms zu steuern.
Der dritte Bezugssignalgenerator 38c gemäß Fig. 5 umfaßt einen Umschalter 52 aus drei Schalterteilen 54, 56 und 58,
einen Kondensator 60, die Bezugsspannungsquelle 42 und ein Potentiometer 62. Das Schalterteil 54 weist eine
Ausgangsklemme 54a sowie Eingangsklemmen 54b und 54c auf;
das Schalterteil 56 umfaßt drei Kontakte 56a, 56b und 56c; und das Schalterteil 58 ist mit drei Kontakten 58a,
58b und 58c versehen. Die Ausgangsklemme 54a des Schalterteils 54 ist mit der invertierenden Eingangsklemme
des Operationsverstärkers 3 6 verbunden, während die Eingangsklemme 54b mit dem zweiten Kontakt 56b des
TO Schalterteils 56 und der Schleiferleitung des Potentiometers 62 verbunden ist. Die Eingangsklemme 54c des Schalterteils
54 ist an den dritten Kontakt 58c des Schalterteils 58 angeschlossen. Die jeweiligen ersten Kontakte
56a und 58a der Schalterteile 56 bzw. 58 sind jeweils an eines der beiden Enden des Kondensators 60 angeschlossen.
Der dritte Kontakt 56c des Schalterteils 56 und der zweite Kontakt 58b des Schalterteils 58 liegen an Masse.
Die Minusklemme der Bezugsspannungsguelle 52 und die eine Seite des Widerstands des Potentiometers 62 liegen
an Masse, während die Plus-Klemme der Bezugsspannungsquelle 42 und die andere Seite des Widerstands des Potentiometers
62 zusammengeschaltet sind. Die Schalterteile 54, 56 und 58 werden in Abhängigkeit vom Befehlssignal
des Befehlssignalgenerators 46 zwischen den im folgen-5 den erläuterten ersten und zweiten Stellungen bzw. Betriebsarten
umgeschaltet.
In der ersten Betriebsart sind am Schalterteil 54 Ausgangs- und Eingangsklemmen 54a bzw. 54b miteinander verbunden,
während beim Schalterteil 56 erster und zweiter Kontakt 56a bzw. 56b (miteinander) verbunden sind und
beim Schalterteil 58 erster und zweiter Kontakt 58a bzw. 58b miteinander verbunden sind. In dieser ersten
Betriebsart ist daher die positive Ausgangsspannungsseite des Potentiometers 62 über die Schleiferleitung
sowie Eingangs- und Ausgangsklemmen 54b bzw. 54a des
Schalterteils 54 an die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 sowie über zweiten und ersten .
Kontakt 56b bzw. 56a des Schalterteils 56 an die eine Klemme des Kondensators 60 angeschlossen. Die andere
Klemme des Kondensators liegt über ersten und zweiten Kontakt 58a bzw. 58b des Schalterteils 58 an Masse. In
der zweiten Betriebsart sind die Klemmen 54a, 54c, die Kontakte 56a und 56c sowie die Kontakte 58a und 58c jeweils
miteinander verbunden. Im Gegensatz zur ersten Betriebsart ist daher die negative Spannungsseite des
Kondensators 60 mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 verbunden. Da der die Schalterteile
54 bis 58 aufweisende Umschalter 52 in Abhängigkeit vom Signal des Befehlssignalgenerators 46 mit einer
vorgegebenen Periode umschaltet, werden Spannungen derselben Absolutgröße und verschiedener Polarität abwechselnd
zwischen die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 und Masse angelegt. Während der
Bezugssignalgenerator 38a (Fig. 3) zwei Bezugsspannungsquellen 42a und 42b benötigt, benötigen die Bezugssignalgeneratoren
38b und 38c gemäß Fig. 4 bzw. 5 jeweils nur eine einzige Bezugsspannungsquelle 42.
Die bei den Bezugssignalgeneratoren 38a, 38b und 38c gemäß Fig. 3/ 4 bzw. 5 verwendeten Umschalter 40 und 52
können Halbleiterschalter, mechanische Schalter oder andere geeignete, herkömmliche Schalter sein.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der Ausführungsform
nach Fig. 1 erläutert. Hierbei sei vorausgesetzt, daß der Bezugssignalgenerator 38a gemäß Fig. 3 verwendet
wird. Wenn das symmetrische Rechteckwellenspannungssignal vom Umschalter 40 zur invertierenden Eingangsklemme des
Operationsverstärkers 36 geliefert wird, nachdem Aus-:
gangs- und Eingangsklemmen 40a bzw. 40b in Abhängigkeit vom Befehlssignal des Befehlssignalgenerators 46 zusammengeschaltet
worden sind, liefert der Operationsverstärker 36 das Bezugsspannungssignal in einem invertierten Zustand.
Der Transistor 18 wird daher in Sperrichtung vorgespannt und gesperrt, während der Transistor 20 in
Durchschaltrichtung vorgespannt und daher durchgeschaltet wird. Infolgedessen fließt Strom von der Plus-Klemme der
Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle 14 über die Erregerspule 28, den Meßwiderstand 30 und den Transistor
20 zu ihrer Minus-Klemme. Hierbei werden ein am Meßwiderständ 30 hervorgerufener Spannungsabfall und eine vom
Bezugssignalgenerator 38 gelieferte Ausgangsspannung mittels des Operationsverstärkers 36 gleich groß eingestellt.
Der über die Erregerspule 28 fließende Erregerstrom erhält daher eine feste Stromgröße, die der Amplitude
des vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferten Spannungssignals entspricht*
Wenn hierauf Ausgangs- und Eingangsklemme 4Ca bzw. 40c bei
der Betätigung des Umschalters 40 nach Fig. 3 miteinander verbunden werden, liefert dar Operationsverstärker 36
ein positives Spannungssignal. Hierdurch werden der Transistor 20 in Sperrichtung und der Transistor 18 in
Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Strom fließt daher von der Plusklemme der Gleichstromquelle 12 über den Transistor
18, den Meßwiderstand 30 und die Erregerspule zu ihrer Minus-Klemme. Die Stromflußrichtung ist dabei
derjenigen vor dem Umschalten des Umschalters 40 entgegengesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein negatives
(bezogen auf Massepotential) Spannungssignal vom Bezugssignalgenerator 38 an die invertierende Eingangsklemme
des Operationsverstärkers 36 angelegt, während ein Spannungsabfall (negativ, bezogen auf Massepotential) am
Meßwiderstand 30 an der nicht-invertierenden Eingangs-
klemme anliegt. Aus diesem Grund besitzt der über die Erregerspule 28 fließende Erregerstrom dieselbe Größe
wie der vor dem Umschalten des Umschalters 40 gelieferte Erregerstrom. Wie sich aus den obigen Ausführungen er*·
gibt, kehrt das durch den über die Erregerspule 28 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld seine Richtung in
derselben Periode wie das vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferte Bezugsspannungssignal um, und das umgekehrte
oder invertierte Magnetfeld besitzt dabei dieselbe Größe wie vorher.
Ersichtlicherweise können anstelle des Signalgenerators 38a nach Fig. 3 (bei der Schaltung gemäß Fig. 1) wahlweise
auch die Signalgeneratoren 38b oder 38c nach Fig. 4 bzw. 5 verwendet werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform besitzen die Transistoren (gegenüber Fig. 1) jeweils die entgegengesetzte
Polarität so daß auch die zugeordneten Elemente eine unterschiedliche Polarität besitzen. Die Arbeitsweise
der Ausführungsform nach Fig. 2 braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden, da sie im Hinblick auf
die vorstehende Beschreibung der Ausführungsform nach Fig. 1 offensichtlich sein dürfte.
Bei den Rechteckwellenstrom-Generatoren gemäß Fig. 1 und 2 können die über die Erregerspule 28 und den Meßwiderstand
30 zu führenden Ströme als im wesentlichen äquivalent angesehen werden. Demzufolqe können die Amplituden
des Erreqerstroms und des Bezuqssoannunqssiqnals mit
hoher Genauigkeit einander anqeqlichen bzw. qleich groß gemacht werden, indem der über die Transistoren 18 und
fließende Strom so gesteuert bzw. einqestellt wird, daß der Unterschied zwischen dem am Meßwiderstand 30 auftretenden
Spannungsabfall und der Amplitude des Bezugs-
Spannungssignals, verglichen durch den Operationsverstärker 36, gleich Null ist.
Die Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 verwenden weniger
Steuerelemente bzw. Transistoren als der bisherige Rechteckwellenstrom-Generator. Dieser Vorteil der Erfindung
ist dem im folgenden beschriebenen Umstand zuzuschreiben. Die bisherige Konstruktion verwendet vier
Schalttransistoren in einer Brückenschaltung zum Umschalten der Richtung des Erregerstroms sowie einen
weiteren Transistor für die Konstantstromsteuerung des ErregerStroms. Die Generatoren nach Fig. 1 und 2 weisen
dagegen eine elektrische Schaltung auf, die zwei Transistoren 18 und 20 zur Durchführung sowohl des Umschaltens
als auch der Konstantstromsteuerung verwendet.
Die verkleinerte Zahl von Transistoren sowie die Schaltungsanordunq,
bei welcher weniqer Transistoren gleichzeitig in Betrieb sind, führen außerdem zu einer beträchtliehen
Senkunq des Stromverbrauchs. Der erfindunqsqemäße Rechteckwellenstrom-Generator arbeitet daher mit verringertem
Temperaturanstieg und energiesparend. Beim bisherigen Generator arbeiten zwei der vier Transistoren,
welche die Brückenschaltung bilden, sowie der Transistor für die Kontaktstromsteuerung ständig.Beim erfindungsgemäßen
Generator arbeiten dageqen die Transistoren 18 und 20 abwechselnd und niemals gleichzeitig.
Fig. 6 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Rechteckwellenstrom-Generators, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet,
daß eine Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung 66 anstelle des Stromversorgungsteils 10 gemäß
Fig. 1 vorgesehen ist. Die Anordnung nach Fig. 6 umfaßt eine Wechselspannungsversorgung 68, Gleichrichter-
elemente 7Oa und 70b, Glättungswiderstände 72a und 72b
sowie Glättungskondensatoren 74a und 74b. Ein die Elemente
70a, 72a und 74a enthaltender, mit einer gestrichelten Linie umrahmter Schaltkreis wird als erster Gleichrichter-Glättunqskreis
76a bezeichnet. Ebenso wird ein anderer, die Elemente 70b, 72b und 74b enthaltender, ebenfalls
von einer gestrichelten Linie umrahmter Schaltkreis als zweiter Gleichrichter-Glättungskreis 7 6b bezeichnet.
Aufbau und Arbeitsweise der anderen Abschnitte entsprechen den betreffenden Abschnitten bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Wenn auf die anhand von Fig. 1 beschriebene
Weise ein positiver Spannungsausgang vom Operationsverstärker 36 zum Durchschalten und Sperren der Transistoren
18 bzw. 20 geliefert wird, fließt ein Erregerstrom gemäß Fig. 6 von rechts nach links durch die Erregerspule
28, nachdem er über die obere (upper-side) Klemme der Wechselspannungsversorgung 68, den Gleichrichter-Glättungskreis
76a, den Transistor 18 und den Meßwiderstand 30 in einem ersten Erregerkreis 80a geflossen
ist. Der über die Erregerspule 28 fließende Strom fließt daher nicht über einen zweiten Erregerkreis 80b. Im
zweiten Erregerkreis 80b wird der Kondensator 74 auf die Spitzenspannung Vp der Wechselstromversorgung 68, d.h.
auf das Y"2-fache der Effektivspannung, aufgrund der Wirkung
des zweiten Gleichrichter-Glättungskreises 76b aufgeladen. In diesem Fall liegt die obere Seite des Kondensators
74b an einem hohen, seine untere Seite an einem niedrigen Potential. Aufgrund eines Spannungsabfalls am
Widerstand 72a verringert sich die an den Kondensator 74a des ersten Gleichrichter-Glättungskreises 76a angelegte
Spannung. Wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 3 6 nach Ablauf einer gegebenen Zeit in eine
negative Spannunq umgesetzt wird, werden die Transistoren 18 und 20 zum Sperren bzw. Durchschalten gebracht.
Daraufhin wird die Lieferung des Erregerstroms durch den
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ersten Erregerkreis 80a beendet, wobei ein großer Übergangsstrom von links nach rechts über die Erregerspule
28 durch den Kondensator 74b des zweiten Erregerkreises 80 geführt wird, welcher vorher auf die Spitzenspannung
Vp der Wechselspannungversorgung 68 aufgeladen worden ist. Außerdem fließt ein Strom von der unteren Klemme der
Wechselspannungsversorgung 68 von links nach rechts
über die Erregerspule 28, den Meßwiderstand 30, den
Transistor 20 und den zweiten Gleichrichter-Glättungskreis 7 6b. Zwischenzeitlich beginnt sich der Kondensator 74a auf die Spitzenspannung Vp aufzuladen, während die Spannung des Kondensators 76b abfällt. Diese Inversion oder Umkehrung des Erregerstroms wird unmittelbar nach der Polaritätsänderung des vom Bezugssignalgenerator 3 8 gelieferten Bezugsspannungssignals erreicht. Obgleich sich die Polarität des durch die Erregerspule 28 erzeugten Magnetfelds mit einer gegebenen Periode umkehrt,
bleibt die Amplitude des Magnetfelds unveränderbar.
Wechselspannungsversorgung 68 von links nach rechts
über die Erregerspule 28, den Meßwiderstand 30, den
Transistor 20 und den zweiten Gleichrichter-Glättungskreis 7 6b. Zwischenzeitlich beginnt sich der Kondensator 74a auf die Spitzenspannung Vp aufzuladen, während die Spannung des Kondensators 76b abfällt. Diese Inversion oder Umkehrung des Erregerstroms wird unmittelbar nach der Polaritätsänderung des vom Bezugssignalgenerator 3 8 gelieferten Bezugsspannungssignals erreicht. Obgleich sich die Polarität des durch die Erregerspule 28 erzeugten Magnetfelds mit einer gegebenen Periode umkehrt,
bleibt die Amplitude des Magnetfelds unveränderbar.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 gewährleistet den Vorteil,
daß die Anstiegszeit des Erregerstroms, d.h. die Zeit für das Einpendeln des Erregerstroms auf einer vorbestimmten
Größe bei seiner Umkehrung, wesentlich verkürzt und der Stromverbrauch durch die Transistoren 18
und 20 herabgesetzt ist. Dies ist den im folgenden beschriebenen Umständen zuzuschreiben. Wenn die Transistoren
18 und 20 sperren bzw. durchschalten, wird die Zufuhr des Erregerstroms vom ersten Erregerkreis 80a beendet,
während der vom zweiten Erregerkreis 80b gelieferte Erregerstrom in der entgegengesetzten Richtung
zu fließen beginnt. Gleichzeitig wird die elektrische
Ladung des Kondensators 74b, der vorher auf die Spitzenspannung aufgeladen worden ist, als großer Strom in
derselben Richtung wie der vom zweiten Erregerkreis 80b gelieferte Strom entladen. Die Periode der Polaritäts-
zu fließen beginnt. Gleichzeitig wird die elektrische
Ladung des Kondensators 74b, der vorher auf die Spitzenspannung aufgeladen worden ist, als großer Strom in
derselben Richtung wie der vom zweiten Erregerkreis 80b gelieferte Strom entladen. Die Periode der Polaritäts-
Umwandlung bzw. -umkehrung des an die Basiselektroden der Transistoren 18 und 20 angelegten Bezugsspannungssignals
ist normalerweise länger als der Zyklus bzw. die Periode der Wechselstromversorgung 68/ z.B. 4- bis
16-mal so lang wie die Stromversorgungsperiode im Fall eines elektromagnetischen Strömungsmessers. Der Kondensator
74b wird daher auf die Spitzenspannung Vp mit ausreichender Reservezeit vor dem Durchschalten des Transistors
20 aufgeladen. Dies trifft ohne Rücksicht auf die Richtung des Erregerstroms zu. Da die Anstiegszeit
des Erregerstroms, wie erwähnt, sehr kurz ist, erreicht das durch die Umkehrung des Erregerstroms geänderte Magnetfeld
sehr schnell und mit kurzer Einschwingzeit eine vorbestimmte Größe. Demzufolge kann mittels einer das
invertierte oder das sich umkehrende Magnetfeld ausnutzenden
Vorrichtung, z.B. mit einem elektromagnetischen Strömungsmesser eine Messung der Strömungsmenge oder
-geschwindigkeit in sehr stabiler und zuverlässiger Weise erfolgen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6
kann für die Wechselstromversorgung 68 ein übliches Stromnetz benutzt werden, so daß die Verwendung des
Gleichstromversorgungsteils 10 gemäß Fig. 1 und 2 unnötig ist. Wenn an das Stromnetz ein Transformator angeschlossen
ist, kann der Drahtwicklungswiderstand (wire-wound resistor) des Transformators unmittelbar
anstelle der Widerstände 72a und 72b in den Gleichrichter-Glättungskreisen
76a bzw. 7 6b verwendet werden. Wahlweise können für diesen Zweck die Arbeitswiderstände
der Gleichrichterelemente 70a und 70b benutzt werden.
Dies bedeutet, daß die Widerstände 72a und 72b nicht wesentlich sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist eine automatische Kompensierschaltung 100 zwischen den Operationsverstärker
36 und den Bezugssignalgenerator 38 der Aus-
führungsform nach Pig. 1 geschaltet. Diese Kompensierschaltung
100 kann Ungleichmäßigkeiten der positiven und negativen Amplituden des vom Bezugssignalgenerator 38
gelieferten Bezugsspannungssignal und Änderungen oder Abweichungen in der Größe des Erregerstroms bei Änderung
der Fließrichtung aufgrund von Abweichung (offset) des Operationsverstärkers 38 u.dgl. verhindern. In der automatischen
Kompensierschaltung 100 wird ein am Meßwiderstand 30 auftretender Spannungsabfall durch einen Integrationskreis
113 integriert, der aus einem Widerstand 102, einem Kondensator 104 und einem Operationsverstärker
106 besteht, und über einen Inverterkreis 108 geführt. Die jeweiligen Ausgangssignale des Inverterkreises 108
und des Bezugssignalgenerators 3 8 werden gemischt und an die invertierende Eingangsklemme eines Operationsverstärkers
110 angelegt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
110 wird der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 aufgeprägt. Die invertierende
Eingangsklemme und die Ausgangsklemme des Operations-Verstärkers 110 sind über einen Widerstand 112 (miteinander)
verbunden, während die nicht-invertierende Klemme an Masse liegt. Die Zeitkonstante einer Kombination aus
dem Widerstand 102 und dem Kondensator 104 in bezug auf den Integrationskreis 113 ist größer als die Umkehrungsperiode
des Erregerstroms. Ein am Operationsverstärker 106 angeordneter variabler bzw. Regelwiderstand 114 dient
zum Kompensieren der Abweichung bzw. des Versatzes des Operationsverstärkers 106.
Wenn sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 die Größe des Erregerstroms aus irgendeinem Grund mit der Fließrichtung
ändert, so daß der gemäß Fig. 7 von rechts nach links fließende Erregerstrom ansteigt und der in Gegen·*·
richtung fließende Erregerstrom abfällt, wird die an der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstär-
kers 106 anliegende Spannung zu einer negativen Spannung, wenn der Strom von rechts nach links fließt. In der anderen
Stromflußrichtung wird die Spannung zu einer positiven
Spannung mit einer kleineren Amplitude als derjenigen der negativen Spannung. Vom Integrationskreis 113 wird somit
eine positive Spannung geliefert, die durch den Umsetzerbzw. Inverterkreis 108 in eine negative Spannung umgesetzt
wird. Die negative Spannung wird zusammen mit dem Bezugsspannungssignal vom Bezugssignalgenerator 38 der
invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 110 aufgeprägt. Als Ergebnis wird das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers 110 in Richtung auf das positive
Potential vorgespannt, während das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 36 in Richtung auf das negative
Potential vorgespannt wird. Infolgedessen wird der von rechts nach links nach dem Transistor 18 über die Erregerspule
fließende Erregerstrom reduziert, während der von links nach rechts nach dem Transistor 20 über die
Erregerspule 28 fließende Erregerstrom ansteigt. Diese Wirkung dauert an, bis der Erregerstrom unabhängig von
der Fließrichtung im wesentlichen konstant wird. Die Verwendung der automatischen Kompensierschaltung 100 vermeidet
die Notwendigkeit dafür, daß das vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferte Bezugsspannungssignal ein genau
symmetrisches Rechteckwellensignal sein muß. Wenn am verwendeten Operationsverstärker eine Abweichung bzw.
ein Versatz (offset) vorliegt, wird diese bzw. dieser durch die automatische Kompensierschaltung 100 ausgeglichen,
so daß die Erregerspule 28 ein dem Bezugsspannungssignal entsprechendes Magnetfeld bilden kann.
In den Fig. 1, 2, 6 und 7 sind die Transistoren 18 und
20 als einziges Paar von Steuerelementen dargestellt. In Abhängigkeit von den Größen der Speisespannung und
des Erregerstroms können jedoch die Transistoren 18 und
20 durch eine größere Zahl von in Reihen-, Paralleloder Reihen-Parallel-Schaltung vorliegenden Transistoren
ersetzt werden.
Beispielsweise zum Prüfen eines elektromagnetischen Stromungsmessers kann ein einseitig gerichtetes Magnetfeld
dadurch erzeugt werden, daß lediglich die Widerstände 30 und 34 mittels eines nicht dargestellten Schalters
aus der Schaltung gemäß Fig. 7 ausgeschaltet werden.
Bei Verwendung eines Kondensators 35 mit kleinem Streustrom und kleiner Eingangsvorspannung hält bzw. speichert
der Operationsverstärker 106 die Integrationsspannung unmittelbar vor der Stromunterbrechung, so daß bei der
Prüfung des elektromagnetischen Stromungsmessers ein Abfallen des Erregerstroms praktisch verhindert werden
kann.
Leerseite
Claims (8)
- PatentansprücheQ/. Rechteckwellenstrom-Generator, der eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds mit einem Erregerstrom speist, der seine Fließrichtung periodisch umkehrt, gekennzeichnet durch einen zur Lieferung des Erregerstroms dienenden Stromversorgungsteil (10) mit einer Mittelklemme oder -anzapfung (16), durch in Reihe über den Stromversorgungsteil (10) geschaltete Steuerelemente (18, 20) mit einer Mittelklemme oder -anzapfung (22) in der Mitte der Reihenschaltung, durch ein in Reihe mit der Erregerspule (28) zwischen die beiden Mittelklemmen (16, 22) geschaltetes Strom-Meßelement (30) zur Lieferung einer "Spannung entsprechend dem Erregerstrom, durch einen Bezugssignalgenerator (38) zur abwechselnden Lieferung von positiven und negativen Rechteckwellenspannungssignalen gleicher Amplitude mit einer vorgegebenen Periode und durch einen mit dem Ausgangssignal des Strom-Meß-elements (30) und dem Rechteckwellenspannungssignal vom Bezugssignalgenerator gespeisten Verstärkerteil (36) zur abwechselnden Lieferung von Durchschalt- und Sperrsignalen zu den Steuerelementen (18, 20) auf beiden Seiten der zweiten Mittelklemme (22), um dabei einen bezüglich Periode, Amplitude und Polarität dem Rechteckwellenspannungssignal entsprechenden Erregerstrom über die Erregerspule fließen zu lassen.
- 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil (10) zwei in Reihe geschaltete Gleichspannungs- oder -Stromversorgungen (12, 14) umfaßt.
- 3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil eine durch eine Wechselstromversorgung angesteuerte oder geführte (driven) Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung (66) ist.
- 4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgeneratör (38) einen Bezugssignalgenerator (38a) mit zwei in Reihe geschalteten Bezugsspannungsquellen (42a, 42b) und einem Umschalter (40) zum abwechselnden Umschalten zwischen Plus- und Minusklemmen der beiden in Reihe geschalteten Bezugsspannungsquellen (42a, 42b) umfaßt.
- 5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator (38) einen Bezugssignalgenerator (38b) mit einer einzigen Bezugsspannungsquelle (42), einem an die eine Elektrode oder Klemme der Bezugsspannungsquelle (42) angeschlossenen Umsetzer- bzw. Inverterkreis (50) und einem zwischen dieser einen Elektrode und der Äusgangsklemme des Inverterkreises (50) umschaltenden Umschalter (40) umfaßt.
- 6. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator eine einzige Bezugsspannungsquelle (42), einen Kondensator (60) und einen Dreifach-Zweistellungs-Schalter (52) aufweist, so daß dann, wenn sich der Schalter (52) in der einen Schaltstellung befindet, der Kondensator (60) mit der Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle (42) aufgeladen wird und die Hochpotentialseite der Bezugsspannungsquelle (42) mit der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers (36) verbunden ist, während in der anderen Schaltstellung des Schalters (52) die Hochpotentialseite der Bezugsspannungsquelle (42) von den anderen Schaltkreisen getrennt und die Niedrigpotentialseite des aufgeladenen Kondensators (60) mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers (36) verbunden ist.
- 7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil eine mit einer Wechselstromversorgung (68) verbundene Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung (66) ist.
- 8. Generator nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet durch eine automatische Kompensiereinheit (100) mit einem Integrationskreis (113) zum Integrieren des Ausgangssignals des Strom-Meßelements (30) und Einrichtungen (108, 110) zum Beschicken des Verstärkerteils (36) mit dem mittels des Ausgangssignals des Integrationskreises (113) vorgespannten Ausgangssignal des Bezugssignalgenerators (38), wobei die Steuerelemente (18, 20) so ansteuerbar sind, daß das Ausqanqssiqnal des Inteqrationskreises (113) gleich Null ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57065095A JPS58182514A (ja) | 1982-04-19 | 1982-04-19 | 電磁流量計の励磁回路 |
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DE3311662A1 true DE3311662A1 (de) | 1983-10-27 |
DE3311662C2 DE3311662C2 (de) | 1988-02-04 |
Family
ID=13277012
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JP (1) | JPS58182514A (de) |
DE (1) | DE3311662A1 (de) |
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Representative=s name: HENKEL, G., DR.PHIL. FEILER, L., DR.RER.NAT. HAENZ |
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Owner name: KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA, KAWASAKI, KANAGAWA, JP |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |