DE3323302A1

DE3323302A1 - Zweidraht-verschiebungsumformer

Info

Publication number: DE3323302A1
Application number: DE19833323302
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Kawasaki Kanagawa Tago
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1982-06-28
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1983-12-29
Also published as: DE3323302C2; US4618862A; JPS59613A; JPH0229165B2; BR8204697A

Description

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Zwei draht-VerschiebUngSumformer

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verschiebungsumformer zur Erfassung einer mechanischen Verschiebung als eine Veränderung in einem Blindwiderstand (wie einer elektrostatischen Kapazität), um eine solche Veränderung in ein elektrisches Signal umzuformen und das elektrische Signal einem Empfangsgerät zuzuführen.

Herkömmliche Verschiebungsumformer der angegebenen Art enthalten eine zwischen zwei festen Elektroden angeordnete bewegliche Elektrode, um einen Unterschied zwischen zwei Drücken zu erfassen- Die bewegliche Elektrode ist im Ansprechen auf den Druckunterschied verschiebbar, wobei ein Paar von elektrostatischen, zwischen den festen Elektroden und der bewegbaren Elektrode angeordneten Kapazitäten C. und Cp sich differentiel1 ändern und das Verhältnis (C₁-C₂)Z(C₁H-C₂) proportional dem Verhältnis der mechanischen Verschiebungen Ad/d ist.

Ein Beispiel für einen solchen herkömmlichen Verschiebungsumformer wird anhand von

Fig. 1 erläutert, die einen Schaltplan für einen Verschiebungsumformer nach dem Stand der Technik zeigt.

Dem Verschiebung:;umformer wird von einer mit einer Last 1 verbundenen äußeren Energiequelle 2 über eine Übertragungsleitung ein elektrischer Strom zugeführt. An die Energiequelle 2 sind in Reihe ein Feldeffekttransistor (FET)3, ein Widerstand 4 und eine Zenerdiode 5 angeschlossen. Durch die Wirkung des FET 3 wird ein konstanter Stromfluß durch die Zenerdiode 5 herbeigeführt. Der FET 3 hat ein Tor, das mit der Basis eines Bipolartransistors 6 verbunden ist, von dem Treiberströme einem Osizillator 7, Differentialverstärkern 8, 9 und anderen Elementen zugeführt werden. Der Oszillator 7 enthält einen Transformator mit einer Primärwicklung 72, die mit einem Transistor 71, einer Rückkopplungswicklung 73 sowie Widerständen 74 und 75 in Reihe geschaltet ist, und Kondensatoren 76, 77. Die Primärwicklung 72 bewirkt, daß an den Sekundärwicklungen 10, 11 und 12 Wechsel spannungen induziert werden. Dioden 13, 14, 15 und 16 dienen dazu, durch die Sekundärwicklungen 10 und 11 nur während der positiven Halbperioden der induzierten Wechselspannungen Ströme und durch die Sekundärwicklung 12 nur während der negativen Halbperioden der Wechselspannungen einen Strom durchzulassen. Im einzelnen passiert der durch die Sekundärwicklung 10 fließende Strom I₁ einen geschlossenen, aus einem Widerstand 17, einem Widerstand 19, einem geerdeten Kondensator 20, einer Kapazität C₁, einer Diode 13 und der Sekundärwicklung 10 gebildeten Kreis. Der durch die Sekundärwicklung 11 fließende Strom I₂ passiert einen aus einem Widerstand 18, dem Widerstand 19, dem geerdeten Kondensator 20, einer Kapazität C₂, einer Diode 14 und der Sekundärwicklung 11 gebildeten geschlossenen Stromkreis. Ferner passiert der durch die Sekundärwicklung 12 während der negativen Halbperioden fließende Strom einen geschlossenen Stromkreis, der aus der Sekundärwicklung 12, den beiden Dioden

ι 15 und 16, den beiden Kapazitäten C₁ und C-, dem geerdeten Kondensator 20 und der Sekundärwicklung 12 gebildet ist.

Die Kondensatoren C. und C₂ haben elektrostatisch- Kapazitäten, die sich im Ansprechen auf eine mechanisch- Verschiebung differentiel 1 ändern. In den positiven Halbp·:: -'o'Jen hat der in der Sekundärwicklung 10 induzierte und -jurch die Widerstände 17, 19 fließende Strom I^ eine Größe, die von der elektrostatischen Kapazität des Kondensators C₁, abhängig ist, während der in der Sekundärwicklung 11 induzierte Strom I₂, der durch die Widerstände 18, 19 fließt, eine von der elektrostatischen Kapazität des Kondensators C₉ abhängige Größe hat. Daraus folgt, daß eine Spannung E , die der Summe der Kapazitäten der Kondensatoren C. und C₂ entspricht, als ein Spannungsabfall am Widerstand U- auftritt:

^EO

worin R der Wert des Widerstands 19 ist. Die Spannung E wird im Differentialverstärker 8 mit eirem Spannungsabfall (Bezugsspannung) an einem Spannungsteilerwiderstand 22 eines aus den Widerständen 21, 22 bestehenden Spannungsteilers verglichen. Im Ansprechen darauf erzeugt der Differentialverstärker 8 einen Ausgang, der die Amplitude der vom Oszillator 7 gelieferten Schwingspannung steuert.Da durch die Zenerdiode 5 die Spannung an den Spannungsteilerwiderständen 21, 22 auf einem konstanten Pegel gehalten wird, wird die Spannung E₀, deren Wert in Übereinstimmung mit der Summe der Kapazitäten der Kondensatoren C. und C₂ schwankt, so gesteuert, daß sie auf einem konstanten Bezugsspannungswert gehalten wird.

Eine Spannung E₃, deren Wert durch die Differenz zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren C. und C₂ bestimmt wird (C₁ - C₂), wird parallel zu den Widerständen 17 und 18 erzeugt. Im einzelnen tritt eine Spannung E., deren Wert durch die Kapazität des Kondensators C. bestimmt -wird, als ein Spannungsabfall am Widerstand 17 in Erscheinung, während

eine Spannung E₂, deren Wert durch die Kapazität des Kondensators C₂ bestimmt wird, als Spannungsabfall am Widerstand 18 auftritt. Die Werte R₁ und R₂ der Widerstände 17 bzw. sind, wie folgt, gegeben:

E₁ = R₁I₁ + E₀ und (2)

E₂ = R₂I₂ + E₀ (3)

Diese Spannungen werden über Widerstände 23 und 24 an den Differentialverstärker 9 gelegt, der die Differentialspannung E₃ liefert:

E₃ = E₁ - E₂ = R(I₁ - I₂) (4)

worin R. = Rp = R ist. Ein Ausgangstransistor 25 wird vom Ausgang des Differentialverstärkers 9 gesteuert.

Unter der Annahme, daß die Amplitude der in den Sekundärwicklungen des Oszillators 7 induzierten Wechselspannung ν und deren Frequenz f ist, können die folgenden Gleichungen aufgestellt werden:

I₁ = f · ν · C₁ (5)

I₂ = f · ν · C₂ (6)

E₃ = R(I₁-I₂) = R^f-V(C₁-C₂) (7)

E = R (I_{1 +} I₀) = R -f-v(C₁₊C₀) (8)

O O 1 2 O ic Aus der Gleichung (8) folgt die Gleichung:

Substituiert man für f.ν in Gleichung (7) die Gleichung (9),

so ergibt sich:

„ C₁-Cp

^E3 = ^Eo· I · ITTC¹ ⁽¹⁰⁾

Unter der Voraussetzung, daß die Fläche der Elektroden eines jeden Kondensators C₁ und C₂ gleich A, der Abstand zwischen den Elektroden gleich d, eine Änderung im Elektrodenabstand auf Grund einer mechanischen Verschiebung gleich Δ. d und die Dielektrizitätskonstante gleich ε sind, können

• «

··» Ji *

* t* J

» ι SC-,

die Kapazitäten der Kondensatoren C. und C_? folgendermaßen ausgedrückt werden:

C	1	1	d	- Δ	d	Ad —ar
5 Daraus ^C1	fol - C	gt: 2 2
C	+ C

^C2 -ΈΓΚ

Durch Substitution von Gleichung (12) fjr den entsprechenden Ausdruck in Gleichung (10) ergibt sich die Gleichung ^E3 - V^ ¥

Die Differentialspannung Eg ist der mechanischen Verschiebung Ad proportional, und die Größe des durch den Ausgangs- !5 transistor 25 fließenden Ausgangsstroms ist von der Differentialspannung E₃ direkt abhängig. Insofern steht der Ausgangsstrom I im Verhältnis zur mechanischen Verschiebung Ad.

Der am Widerstand 28 durch den diesen durchf 1 ießeruien Ausgangsstrom I erzeugte Spannungsabfall wird über einen Widerstand 26 an den einen der Eingänge des Differential Verstärkers 9 rückgekoppelt, der andere Eingang des Verstärkers 9 ist mit einem Widerstand 27 verbunden. Bei dem herkömmlichen, in Fig. 1 gezeigten Verschiebungsumformer werden die Spannung E und die Bezugsspannung (Spannungsabfall am Widerstand 22) miteinander durch den Differentialverstärker 8 verglichen, welcher eine Differentialspannang liefert, suf deren Grundlage eine Schwingspannung im Oszillator 7 gesteuert wird, um die Spannung E_Q der Bezugsspamung gleichzumachen, d.h., die Spannung E auf einem konstanten Pegel zu halten. Wenn sich die Spannung E_r ändert, so ändert sich demzufolge die Differentialspannung E₃ in der durcn die Gleichung (13) angegebenen Weise, und folglich ändert sich der Ausgangsstrom I, was einen Fehler zum Ergebnis hat. Insofern müssen die Bauteile, die an der Erzeugung der Bezugsspannung beteiligt sind, d.h. der FET 3, die Zenerdiode 5, der Transistor 6, der Differentialverstärker 8 und der Widerstand 2.2 not-

! wendigerweise in ihren Kennwerten in hohem Maß stabil sein, und das ist selbstverständlich von Nachteil, da diese Bauteile kostspielig sind. Auch haben Streu- oder Parasitkapazitäten, die mit den Kondensatoren C₁ und C₂ verknüpft sind,

nicht zu vernachlässigende Wirkungen auf den Ausgangsstrom

Im Hinblick auf die vorgenannten Schwierigkeiten wurde die Erfindung konzipiert, und es ist ihr Ziel, einen Verschiebungsumformer zu schaffen, der keine Bauteile benötigt, welehe hoch stabile Kennwerte haben müssen, der aus einer geringeren Anzahl von Bauteilen zusammengestellt ist, wobei die Zahl der verwendeten Differentialverstärker herabgesetzt wird, und der frai von nachteiligen, auf Streu- oder Parasitkapazitäten beruhenden Einflüssen ist.

Die obigen und andere Ziele werden gemäß der Erfindung durch eine Zweidraht-Verschiebungsumformerschaltung für die Umformung einer sehr kleinen mechanischen Verschiebung in ein elektrisches Gleichstromsignal erreicht, die gekennzeichnet ist durch ein Paar aus einem ersten sowie zweiten wechselstromerregten reaktiven Impedanzelementen, von denen wenigstens eines eine im Ansprechen auf die mechanische Verschiebung veränderbare Impedanz hat, durch eine ein erstes sowie ein zweites, jeweils den Impedanzen des ersten bzw. zweiten Impedanzelements proportionales Gleichstromsignal abgebende Einrichtung, durch eine erste Einrichtung, die ein einem Unterschied zwischen dem ersten sowie zweiten Stromsignal entsprechendes und für die Größe der mechanischen Verschiebung kennzeichnendes Ausgangsstromsignal abgibt, durch ein drittes reaktives Impedanzelement, das eine feste Impedanz hat, und durch eine zweite Einrichtung, die ein drittes, der Impedanz des dritten Impedanzelements proportionales Stromsignal abgibt, wobei die Summe des dritten Stromsignals und wenigstens eines Stromsignals aus dem ersten sowie zweiten Stromsignal durch einen Stromregler auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

Besondere Merkmale der Erfindung sind in den folgenden zu sehen:

(1) Das erste sowie das zweite Impedanzelement haben Impedanzen, die so gewählt sind, daß sie differentiel1 voneinander verschieden sind, und die Summe aus dem ersten sowie zweiten Gleichstromsignal und dem dritten Stromsignai wird juvtsr Regelung durch den Stromregler auf einein konstanten ';!■>; rt gehalten.

(2) Das erste bzw. zweite Impedanzelement haben eine feste IO

bzw. veränderbare Impedanz, und die Summe des zweivfn sowie dritten Stromsignals wird unter Regelung durch den Stromregler auf einem konstanten Wert gehalters während das erste Stromsignal ungeregelt ist.

!5 (3) Das erste und das zweite Impedanzelement v/erden gleichzeitig in der einen Halbperiode einer We:hselstromerregung mit der einen Polarität und in der anschließenden Halbperiode der Wechselstromerregung mit zur einen Polarität entgegengesetzter Polarität erregt.

(4) Die erste Einrichtung umfaßt einen Differentialverstärker, der zwei auf das erste sowie zweite Stromsignal jeweils ansprechende Eingänge und einen auf eine Differenz zwischen den zwei Eingangssignalen ansprechenden Ausgang hat, einen Ausgangstransistor, asr auf einen Ausgang vom Differentialverstärker anspricht, um ein für die Größe der mechanischen Verschiebung kennzeichnendes Ausgangsstromsignai abzugeben, einen Rückkopplungswiderstand, der im wesentlichen den gesamten Ausgangsstrom empfängt und mit einem der Eingänge des DifferentialVerstärkers verbunden ist, um an diesen ein

Rückkopplungssignal zu legen, und einen Nullabgleichswiderstand, von dem Endanschlüsse zwischen die beiden Eingänge des Differentialverstärkers angeschlossen sind, während ein mittiger (einregelbarer) Abgriff indirekt an einen Rückkopplungskreis angeschlossen ist, der mit dem Rückkopplungswiderstand sowie dem oben genannten einen Eingang des Differentialverstärkers verbunden ist, um das Rückkopplungssignalan diesen Eingang zu legen.

τ⁶"

(5) Die erste Einrichtung umfaßt einen Differential verstärker mit zwei Eingängen, die auf das erste sowie zweite Stromsignal ansprechen, und mit einem Ausgang, der auf eine Differenz zwischen den zwei Eingangssignalen anspricht, einen auf einen Ausgang des Differentialverstärkers ansprechenden Ausgangs transistor, der ein für die Größe der mechanischen Verschiebung kennzeichnendes Ausgangsstromsignal liefert, und eine mit einem der Differentialverstärkereingänge verbundene Dämpfungsschaltung, die einen Dämpfungskon-

IC densator, eine Schalteinrichtung und eine Spannungsteilereinrichtung aufweist, wobei die Schalteinrichtung in der Lage ist, den Dämpfungskondensator mit einem Eingang des Differentialverstärkers zu verbinden, wenn eine Dämpfung erforderlich ist, und den Dämpfungskondensator an einen vorbestimmten Spannungspegel anzuschließen, wenn eine Dämpfung nicht erforderlich ist.

(6) Der Stromregler besteht aus einer Serienschaltung eines Stromregeltransistors sowie eines Serienwiderstands zur Steuerung des Stromregeltransistors, und die zweite Ein-

richtung weist ein Paar von Gleichrichtern, um einen durch das dritte Impedanzelement fließenden Wechselstrom zur einen sowie zur entgegengesetzten Polarität umzupolen, und eine Erfassungseinrichtung auf, die eine am Stromregeltransistor liegende Spannung feststellt, wobei der umgepolte Strom der

einen Polarität dem Serienwiderstand und der umgepolte Strom der entgegengesetzten Polarität der Erfassungseinrichtung zugeführt wird.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläu-30

tert; in diesen zeigen:

Fig. 2 und 3 jeweils Schaltpläne für eine erste sowie zweite bevorzugte Ausführungsform eines Verschiebungsumformers (jemäß der Erfindung.

332

23302

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird dem Verschiebungs umformer über eine Übertragungs lei tuny von einer r.it einer Last 1 verbundenen äußeren Energiequelle 2 ein rrle-ktri scher Strom zugeführt. Ein FET 31, ein Widerstand 32 und eine Zenerdiode 33 sind mit der Energiequelle 2 in Reins geschal tet. Der FET 31 bewirkt einen Fluß eines konstant .,ι i^roms durch die Zenerdiode 33 und hat ein an die Basis 'bines Bipolartransistors 34 angeschlossenes Tor. Vom Transistor 34 wird ein Treiberstrom einem Oszillator (Wechsel st.rorn-Erregereinrichtung)7, einem Differentialverstärke;" 9 und anderen Bauteilen zugeführt. Der Oszillator 7 enthält einen Transformator mit einer Primärwicklung 72, die Wechselspannungen in den Sekundärwicklungen 10, 11 und 12 induziert. Dioden 13, 14, 15 und 16 lassen einen S:romfluß durch die Sekundärwicklungen 10 und 11 nur während der positiven Halbperioden der induzierten Wechsel spainungen und einen Stromfluß durch die Sekundärwicklung 12 nur während der negativen Halbperioden zu.

Streukondensatoren C . und C_s2 sind jeweils zu den Kondensatoren C, und Cp parallelgeschaltet. Die durch die Kondensatoren Cj, C₂ fließenden Ströme werden hier mit

bzw. I₂ und die durch die Streukondensetoren C ., C₅^ fließenden Ströme mit I , bzw. I₂ bezeichnet. Der durch die Sekundärwicklung 10 in den positiven Hclbperioden fließende Strom (I. + I ,) geht durch einen geschlossenen Schaltkreis, der aus einem Widerstand 35, einem geerdeten I'cnjensator 20, dem Kondensator C, sowie dem Streukondensator C-, einer Diode 13 und der Sekundärwicklung 10 gebildet ist. Der durch die Sekundärwicklung 11 in den positiven Halbperioden fließende Strom (I₂ + I₅₂') geht durch einen geschlossenen Stromkreis, der einen Widerstand 36, einen Widerstand 37, einen Widerstand 38, den geerdeten Kondensator 20, den Kondensator C₂ —■ . __

sowie den Streukondensator C₂, eine Diode 14 und die Sekundärwicklung 11 umfaßt. Die Ströme K, I₂, I^ und Ip können, wie folgt, ausgedrückt werden:

¹I = [^f(^v - V)J C₁ (14)

I₂ = [f(v - V)] C₂ (15)

I_s1 = [f(v - V)] C_s1 (16)

^ls2 ⁼ [^f(^V - ^V)l ^Cs2 ⁽¹⁷⁾

Die Werte der Streukapazitäten C₁ und C_s? werden durch Wahl der Werte der Kondensatoren C₁ und Cp gleichgemacht derart, daß:

^Cs1 ^{= C}s2 = ^Cs ⁽¹⁸⁾

Mit der als V_Qc bezeichneten Drain-Source-Spannung des FET 39, mit dem als V~_s bezeichneten Spannungsabfall am Quellenwiderstand 40 des FET 39 und mit dem als V. bezeich- !5 neten Spannungsabfall am Widerstand 35 kann die Spannung V in den obigen Gleichungen (14) bis (17) angegeben werden als:

^V = ^V1 ^{+ V}DS ^{+ V}GS

Der Wert R_1Q des Widerstands 35 und die Werte R₁₁, R₁₂ sowie R₁₃ der Widerstände 36, 37 sowie 38 haben die folgende Beziehung:

R₁₀ = R₁₁ + R_{12 +} R_n (20)

Ein durch die Sekundärwicklung 12 während der negativen Halbperioden fließender Strom [(I₁ + ¹S₁) + H₂ + ^I _S2^] geht durch einen geschlossenen Stromkreis, der aus der Sekundärwicklung 12, den beiden Dioden 15 und 16, den beiden Kondensatoren C₁ und Cp. den beiden Streukondensatoren C_s1 und C_s2, dem geerdeten Kondensator 20, dem FET 39, einem Widerstand 40 und der Sekundärwicklung 12 gebildet ist.

Der Drain-Stron [U₁ + I_s1) + (I₂ + I₅₂)J des FET 39 wird durch die Gate-Source-Spannung V-ς des FET 39 bestimmt, die als das Pr)dukt des Werts des Widerstands 40 und einem durch diesen Widerstand 40 fließenden Strom I ausgedrückt

werden kann. Der Strom I wird durch Wirkung einer automatischen Gittervorspannungserzeugung des FET 39 so geregelt, daß er konstant ist..

Gemäß der Erfindung sind in diesen Scha tkreis weiterhin ein Kompensationskondensator 41 zum Ausgleich vcn Einflüssen der Streukapazitäten C . und C ₂» G .eichrici. ;er dioden 42 und 43 zur Erzeugung von negativen :)zw. positiven Ladeströmen für den Kompensationskondensator 41 sowie ein Differentialverstärker 44 zum Erfassen der D~ain-Spannung des FET 39 einbezogen. Durch die Sekundärwicklung 12 v/ird an den Kompensationskondensator 41 eine Wechselspannung gelegt, um zu erreichen, daß ein positiver, durch den Kompensationskondensator 41 fließender Ladestrom über die Diode 43

!5 durch den Quellenwiderstand 40 des FET 39 und daß ein negativer Ladestrom über die Diode 42 durch den Differentialverstärker 44 geht. Damit fließt der zur Sekundärwicklung 12 parallele Ladestrom für den Kompensationskcndensator 41 in den negativen Halbperioden der Spannung durch einen geschlossenen Stromkreis, der die Sekundärwicklung 12, den Kompensationskondensator 41, die Diode 42, den Differential verstärker 44 und die Sekundärwicklung 12 utnfeßt. In den positiven Halbperioden aer Spannung fließt der Ladestrom für den Kompensationskondensator 41 durch einen geschlossenen Stromkreis, der aus der Sekundärwicklung 12. dem Widerstand 4Q, der Diode 43, dem Kompensationskondensctor 41 und der Sekundärwicklung 12 besteht.

Der Ladestrom I für den Kompensationskondensator 41 kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

I_c = |f(v - V')]C_C (21)

worin C die Kapazität des Kompensationskondensators 41 und V - V_nc + V_rc sind. Damit ist der durch den Widerstand 40 fließende Strom I gegeben als:

¹O - [(¹I ^{+ 1}S₁) ⁺ H_{2 +} I₅₂)] - I_c = (I_{1 +} I₂) ₊ (i_{s1 +} I₅₂) - i_c = [f(v-V)] (C₁₊C₂) + 2 ff(V-V)J C₅- [f(v-V')j C_c (22) Durch Bestimmen der Kapazität C des Kompensationskondensators 41 gemäß der folgenden Gleichung (23) wird die Gleichung (22) in die Gleichung (24) unter Eliminierung der Wirkung der Streukapazität C umgewandelt:

2 [f(v-V)J C_s = ff(v-V')] C_c (23)

¹O ⁼ [^f(^v~^v)] (C₁ ⁺C₂) = konstant (24)

Eine Diode 45 und ein Kondensator 46 dienen als Gleichrichterdiode bzw. Glättungskondensator, um die Wechselspannung 15

von der Sekundärwicklung 12 zum Betreiben des Differential-Verstärkers 44 zu verwenden.

Der Ausgangsstrom I kann bei der Ausführungsform von Fig. 2 folgendermaßen abgeleitet werden: Der Spannungsabfall am Widerstand 35 und der Spannungsabfall an den Widerständen 36, 37 sowie 38 werden an die jeweiligen Eingänge des Operationsverstärkers 9 gelegt, der den Unterschied zwischen den Spannungsabfällen erfaßt. Das Unterschiedssignal wird

durch den Ausgangstransistor 25 in den Ausgangsstrom I um-2o

gewandelt, der zu den Widerständen 37 und 38 rückgekoppelt wird, durch die der Gleichstrom I₂ über einen Belastungswiderstand 47 für den Ausgangstransistor 25 und einen Widerstand 48 für den Operationsverstärker 9 fließt. Das hat zur _₀ Folge, daß die zn den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 9 parallele Spannungsdifferenz auf Null gebracht wird, worauf die folgende Gleichung (25) aufgestellt wird:

worin l_f der durch die Widerstände 37 und 38 fließende Rückkopplungsstrom ist. Unter Verwendung der Beziehungen der Gleichungen (18) und (20) wird der Rückkopplungsstrom I_f aus der Gleichung (25) wie folgt abgeleitet:

If

Die Kirchhoff'sehen Gesetze können,wie folgt, auf den aus den Widerständen 37, 38, 47 und 48 gebildeten Rückkopplungsschaltkreis angewendet werden. Unter der Annahme, daß die mechanische Veschiebung Δ.ύ gleich Null ist, d.h.. ciöB die Kapazitäten der Kondensatoren C. und C₂ gleich sind_; fließt ein Strom I„ durch den Ausgangstransistor 25- Dieser Strom I₀ dient als ein Basisstrom (untere Grenze) mit. Bezug auf den Ausgangsstrom I und entspricht 4 mA im Vergleich mit einem von 4 bis 20 mA reichenden Signal strom- Bei der Meßweise, bei welcher eine mechanische Verschiebung ^d vorliegt, fließt die Summe (I_ß + I) des Basisstroms I_ß und des

auf die mechanische Verschiebung Ad bezogenen Ausgangs-15

Stroms I durch den Ausgangstransistor 25. Ein Strom (Ig + I "- Irr) fließt durch den Belastungswiderstand 47 in dem aus den Widerständen 37, 38, 47 sowie 49 gebildeten geschlossenen Stromkreis, uer Rückkopplungsstroro I^ fließt durch den Widerstand 48 und ein Strom (I₉ + l_c0 + I_f) fließt

c. Sc ι

durch die Widerstände 37 und 38. Damit kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:

worin R₂₀ der Wert des Widerstands 47 und R_f der Wert des Widerstands 48 sind.

Unter Verwendung lediglich derjenigen Ausdrücke in Pieichung (27), die sich auf die mechanische Verschiebung /ic! beziehen, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden: 30

R₂₀(I-I_f) = R_fI_f+(R₁₂+R_l3)(I₂+I_f) (28)

Durch Substitution von Gleichung (26) für den Rückkopplungsstrom L kann aus Gleichung (28) der Ausgangsstrom „ I gefunden werden:

₂)^(R₁₂₊R₁₃)I₂ ⁽²⁹⁾

R₁₀(R_o+R_f+R₁₂+R₁₃) I
*1 ⁼ R^₀(R_{12 +} R₁/] j ^K2 ^{= K}12 ^{+ K}13

Durch Substitution der Gleichungen (14) und (15) für die entsprechenden Ausdrücke in Gleichung (29) erhält man:

I = K₁ ff(v-V)] (C₁-C₂) + K₂ ff(v-V)J C₂ (30)

Substituiert man Gleichung (24) für die entsprechenden Ausdrücke in Gleichung (30), so folgt:

I = K-I +K₀I τ-ή-r- (31)

1 ο C₁₊Cp 2 ο C₁₊C₂

Aus Gleichung (11) werden die folgenden Beziehungen offenbar

V^C2 . Ad _und ^C2 _ 1 ₍ Ad, C₁₊C₂ ~ d ^una C₁₊C₂ ~ 2 ^U >

Somit kann die Gleichung (31) umgeschrieben werden zu:

ι -1 K₂I₀₊(K₁- ^k₂)I₀Y

^{= G}1 ^{+ G}2 -ΊΓ ⁽³²⁾

^G1 ⁼ \ ^K2^Io ^{= konstant}

G₂ ■= (K₁- j ^Κ2^^!ο ^{= konstant} 25

Da der erste Ausdruck G₁ und der zweite Ausdruck G₂ auf der rechten Seite von Gleichung (32) Konstante sind, ist der Ausgangsstrom I nur der mechanischen Verschiebung Δά proportional. Damit wird jeder von den Streukapazitäten C₁ und C₉ ^ou herrührende Einfluß auf den Ausgangsstrom I eliminiert.

Der Zweidraht-Verschiebungsumformer der beschriebenen Bauart dient dazu, ein einen Parameter in einem industriellen Prozeß, z.B. einen Druck, wiedergebendes Signal als einen Gleichstrom I in einem Bereich von 4 bis 20 mA zu übertragen.

Da üblicherweise bei dem zu übertragenden Prozefipararrieter erwartet werden kann, daß er Störungsirpulse enthalt, ist es erforderlich, eine solche Einflußgrö-'-e vor der Übertragung aus dein Gleichstrom zu entfernen. , u diesem Zweck wird δ eine Dämpfungsschaltung, die aus Widerständen und einem Kondensator besteht, zur Entfernung von solchen pulsierenden Komponenten vorgesehen. Der Verschiebungsumfcrmer von Fig. 2 enthält eine solche Dämpfungsschaltung, die dazu bestimmt ist, alle kurzzeitigen oder vorübergehenden Änderungen im Ausgangsstrom zu eliminieren. Diese Dämpfungsschaltung umfaßt einen aus einem Dämpfungskondensator 49 und den Widerständen 36, 37 sowie 38 gebildeten Verzögerungskreis, einen Widerstand 50, einen aus zwei Widerständen 51, 52 bestehenden Spannungsteiler und einen Schalter 53»

Wenn keine Notwendigkeit für eine Dämpfung gegeben ist, so wird der Kontaktfinger des Schalters 53 an den Kontakt b gelegt. Damit wird das Potential am Verbindungspunkt der Widerstände 51 und 52 so eingestellt, daß es in wesentlichen dem Potential am invertierenden Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 9, d.h. dem Potential am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 36 und der Sekundärwicklung 11, das sich mit dem Strom I„ der mechanischen Verschiebung Δ d ändert, gleich ist. Bei einer Einstellung des Verbindungspotentials derart, daß es sich von 2,5 bis 3,0 V für den gesamten Bereich der mechanischen Verschiebung von O bis 100% ändert, werden die Werte der Widerstands 51 und 52 so gewählt, daß das Potential an deren Verbindungsstelle etwa 2,5 V beträgt. Somit wird der Kondensator 49 auf etwa 2,5 V aufgeladen, wenn eine Dämpfung nicht auszuführen ist. Auch wenn der Kontaktfinger des Schalters 53 an den Kontakt a gelegt wird, um zum Dämpfen den Kondensator 49 mit dem Eingang des Differential Verstärkers 9 zu verbinden, sind

keine merkbaren kurzzeitigen Veränderungen vorhanden. 35

I 4 * w - »

Wenn der Dämpfungskondensator 49 nicht vorher durch die Widerstände 51 und 52 geladen würde, so würde der Eingang zum Differential verstärker 9 den von 2,5 bis 3,0 V reichenden Spannungsschwankungen bei Verbindung des Kondensators 49 mit diesem Verstärker 9 ausgesetzt sein, und aus einer solchen Verbindung des Kondensators 49 wurden sich folglich starke kurzzeitige Veränderungen ergeben.

Die Funktion, der Aufbau und die Arbeitsweise der Dämpfungsschaltung von Fig. 2 sind allgemein bekannt und brauchen insofern nicht weiter erläutert zu werden.

Der erfindungsgemäße Verschiebungsumformer in aer bevorzugten Ausführungsform von Fig. 2 enthält eine NuI labgleichsschaltung, die hauptsächlich aus einem Regelwiderstand 54, der zwischen das Eingangspaar des Differentialverstärkers geschaltet ist, und einem Widerstand 55, dessen eines Ende an den veränderbaren Abgriff des Regelwiderstands 54 und des sen anderes Ende an den Verbindungepunkt zwischen den Widerständen 37, 38 angeschlossen ist, besteht. Die Werte der Widerstände 37, 38 sind so gewählt, daß Veränderungen im Spannungsabfall am Widerstand 37 gleich solchen am Widerstand 38 sind. Damit erhält man zu jeder Zeit am Widerstand 55 eine konstante Spannung, womit der durch diesen Widerstand 55 fließende Strom allzeit konstant ist.

Wenn die elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren C., Cp gleich sind, werden die Ströme I. und I₂ gleich sein, und der Spannungsunterschied zwischen den Eingängen des ^ou Differentialverstärkers fällt nicht aus irgendeinem Grund auf Null; der verschiebbare Abgriff des Regelwiderstands 54 kann bewegt werden, um das Verhältnis zwischen einem von der Sekundärwicklung 10 zum Regelwiderstand 54 fließenden Strom I₁ und einem von der Sekundärwicklung 11 zum Regel-

widerstand 54 fließenden Strom i- einzustellen, bis der Spannungsunterschied zwischen den Eingängen des Differentialverstärkers 9 Null wird. Die Summe der durch den Widerstand

jH-Λ (¹I ft · -- » * *

55 fließenden Ströme i> und i₂ wird immer konstantgehalten, weil die Spannung am Widerstand 55 allzeit konstant bleibt. Obwohl die Summe der Ströme i. und i~ in den Widerstand 38 eintritt, ist diese Summe extrem klein tnd kann in den obigen Gleichungen vernachlässigt werden.

Die Fig. 3 zeigt einen Schaltplan für eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist der Kondensator C. fest, und lediglich die Kapazität des Kondensators C₂ ändert sich mit der mechanischen Verschiebung Δα. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung ist zu derjenigen von Fig. 2 prinzipiell gleich, die Ausnahme liegt darin, daß die Sekundärwicklungen 57 und 58 jeweils mit den Dioden

15 bzw. 16 verbunden sind.
15

Mit einer solchen Schaltungsanordnung wird eine arithmetische Berechnung von (C₁-C₂)ZC₂ ausgeführt. Die Arbeitsweise der Schaltung von Fig. 3 ist im wesentlichen gleich derjenigen von Fig. 2 und wird deshalb nicht näher beschrieben. Es ist jedoch zu erwähnen, daß der Strom Γ( ^Io⁺*s2^~^Ic^{; c}^^urc*¹ den FET 39 gesteuert wird, so daß er konstant ist.

Bei der Erfindung dient, wie beschrieben wurde, der FET 39 dazu, die Summe der Ströme konstantzuhalten, d.h. wenigstens einen der durch die Kondensatoren C₁ und C₂ fließenden Ströme I₁ bzw. I₂ und den durch den Kompensationskondensator 41 fließenden Strom I . Demzufolge werden der FET 31, dia Zenerdiode 33 und der Transistor 34 hauptsächlich für die Lieferung einer Steuerspannung für den Oszillator 7 sowie den Differentialverstärker 9 verwendet und nicht als ein Bezugsspannung selement wie bei der herkömmlichen, in Fig. 1 gezeigten Schaltung. Deshalb brauchen diese Elemente keine extrem genauen und stabilen Kennwerte zu haben. Der FET 31, die Zenerdiode 33 und der Transistor 34, die bei der erfindungs-

gemäßen Schaltung zur Anwendung kommen, sind sehr viel weniger kostspielig als ihre Gegenstücke bei eier bekannten Anordnung . Der Kompensationskondensator 41 ist für den Aus-

gleich von Einflüssen der Streukapazitäten C , und C ~ vorgesehen. Die Kombination des durch den Kompensationskondensator 41 fließenden Stroms I und des Stroms [ (1.^+I₅₁ ) + (I₂+I_s2) ] oder des Stroms (I₂+I_$2) wird durch den FET gesteuert, so daß sie konstant ist. Deshalb wird die Wirkung der Streukapazitäten unter Anwendung lediglich eines simplen Schaltungsaufbaus auf Null gebracht. Der Differentialverstärker 44 kompensiert die Streukapazität C , und hieraus folgt, daß der in der herkömmlichen Schaltung von Fig. 1 verwendete Differentialverstärker 8 in Fortfall kommt. Deshalb kann der Verschiebungsumformer gemäß der Erfindung mit .einer verminderten Zahl von Bauteilen gefertigt werden.

Claims

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FUJI ELECTRIC CO., LTD.
Ko. 1-1, Tanabesiiinderi
Kav.'asaki-ku, Kawasaki-shi
Kanagawa, Japan

Zweidraht-Verschiebungsumf oriiit r

Patentansprüche

2Q 1 Γ) Zweidraht-Verschiebungsumformerschaltung für die Umformung einer sehr kleinen mechanischen Verschiebung in ein Gleichstromsignal, gekennzeichnet durch ein erstes sowie zweites wechselstromerregtes Blindwiderstandselement, die ein Paar bilden und von denen wenigstens eines eine im Ansprechen auf die mechanische Verschiebung veränderbare Impedanz hat, durch eine ein erstes sowie ein zweites, den Impedanzen des ersten bzw. zweiten Blindwiderstandselements proportiansles Gleichstromsignal abgebende Einrichtung, durch eine erste Einrichtung, die ein einem Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Strornsignal entsprechendes sowie für den Betrag der mechanischen Verschiebung kennzeichnendes Ausgangsstromsignal abgibt, durch ein drittes, eine feste Impedanz aufweisendes Blindwiderstandselement, durch eine zweite Einrichtung, die ein drittes, der Impedanz des dritten Blindwiderstandselements proportionales Stromsignal abgibt, und durch einen Stromregelkreis, cj-r eine

ι Summe des dritten Stromsignals und wenigstens eines Signals aus den ersten sowie zweiten Stromsignalen auf einem vorbestimmten Wert hält.

ρ- 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste sowie zweite Impedanzelement mit Bezug zueinander differentiel 1 veränderbare Impedanzen haben und daß der Stromregelkreis die Summe des ersten sowie zweiten Gleichstromsignals und des dritten Stromsignals auf einem konstanten Wert hält.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß das erste bzw. zweite _1R Impedanzelement eine feste bzw. eine veränderbare Impedanz haben und daß der Stromregelkreis die Summe des zweiten sowie dritten Stromsignals auf einem konstanten Wert hält, während das erste Stromsignal ungeregelt ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Impedanzelement einer gleichzeitigen Erregung mit einer bestimmten Pclarität in der einen Halbperiode der Wechselstromerregung und einer gleichzeitigen Erregung mit entgegengesetzter Polarität in der anschließenden anderen Halbperiode unterliegen.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung umfaßt: einer Differentialverstärker (9) mit zwei Eingängen, die auf jeweils ein Signal aus den ersten sowie zweiten Stronsignalen ansprechen, und mit einem Ausgang, der auf eine Differenz zwischen den beiden Eingangsstromsignalen anspricht, einen Ausgangstransistor (25), der im Ansprechen auf einen Ausgang des DifferentialVerstärkers ein für den Betrag der mechanischen Verschiebung kennzeichnendes Ausgangsstromsignal abgibt, einen Rück-

kopplungswiderstand, der im wesentlichen für den gesamten Ausgangsstrom empfänglich und mit einem der Eingänge des Differential Verstärkers zum Anlegen eines Rückkopplungssignals verbunden ist, und einen NuI labgleichswiderstand (54), dessen feste Anschlußenden zwischen die beiden Eingänge des Differentia1 Verstärkers geschaltet und dessen mittiger, einstellbarer Abgriff an eiren mit de.* ,³ULkkopplungswiderstand (55) sowie dem einen Eingsnp das Differentialverstärkers zur Abgabe des Rückkopplungcsignals an diesen Eingang verbundenen Rückkopplungskreis angeschlossen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung umfaßt: einen Differentialverstärker (9) mit zwei Eingängen, die auf jeweils das erste bzw. zweite Stromsignal ansprechen, welcher in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den beiden Eingangsstromsignilen einen Ausgang liefert, einen Ausgangstransistor (25! mit einer auf einen Ausgang des Differential Verstärkers a !sprechenden Eingangselektrode, der ein einen Betrag jer mechanischen Verschiebung kennzeichnendes Ausgangsstromsignal liefert, und eine mit einem der Eingänge des Differentialverstärkers verbundene Dämpfungsschaltung, die einen D3.npfungskondensator (49), einen Schalter (53) und einen Spannungsteiler (51, 52) enthält, wobei der Schalter den Dämpfungskondensator bei erforderlicher Dämpfung mit einem Eingang des Differential Verstärkers und bei nicht geforderter Dämpfung den Dämpfungskondensator mit dem Spannungsteiler zur Aufladung des Dämpfungskondensators auf einen vorbestimmten Spannungspegel verbindet.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strornregelkreis einen Stromregeltransistor und einen Serienwiderstand zur Steuerung des Stromregeltransistors in Serienschaltung umfaßt und daß die zweite Einrichtung ein Paar von

Gleichrichtern zur Umpolung eines durch das dritte Impedanzelement fließenden Wechselstroms auf die eine sowie die zu dieser entgegengesetzte Polarität und eine Einrichtung zur Erfassung einer am Stromregeltransistor anliegenden Spannung aufweist, wobei der umgepolte Strom der einen Polarität an den Serienwiderstand und der umgepolte Strom der entcjegengesetzten Polarität an die Erfassungseinrichtung gelegt wird.