DE3412843A1 - Verfahren zum umwandeln eines im bereich von 0 bis 20 ma liegenden eingangsstroms in einen ausgangsstrom im bereich von 4 bis 20 ma, und umgekehrt, sowie schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zum Umwandeln eines im Bereich von 0 bis
• 20 mA liegenden Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom im Bereich von 4 bis 20 mA, und umgekehrt, sowie Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 sowie Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der Ansprüche 3 und 4.
• Bei einem bekannten Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das zum Umwandeln eines Dead-Zero-Meßstroms von 0 bis 20 mA in einen Live-Zero-Meßstrom von 4 bis 20 mA angewandt wird, wird zunächst der im Bereich von 0 bis 20 mA liegende Eingangsstrom in einen Strom von 0 bis 16 mA umgewandelt und dann ein konstanter Strom von 4 mA hinzuaddiert.
• Das Umwandlungsverhältnis 20/16 wird hierbei durch zwei Widerstände bestimmt, so daß der Umwandlimgsfehler mindestens gleich dem Fehler des Quotienten der Widerstandswerte dieser beiden Widerstände ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem bzw. der ein geringerer Umwandlungsfehler möglich ist oder Widerstände mit geringerer Genauigkeit bei gleichem Umwandlungsfehler verwendet werden können.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung des Dead-Zero-Stroms von 0 bis 20 mA in den Live-Zero-Strom von 4 bis 20 mA ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.
• Bei dieser Lösung beträgt der Zusatzstrom maximal 4 mA, d.h. nur 1/5 des Eingangsstroms. Ein Fehler des Zusatzstroms aufgrund einer Ungenauigkeit der Übertragungswiderstände geht daher nur mit 1/5 (20 %) in den Ausgangsstrom ein, da der Eingangsstrom bei der Übertragung unverändert bleibt. Bei gleicher Übertragungsgenauigkeit können daher wesentlich ungenauere Übertragungswiderstände benutzt werden. Bei Verwendung von Präzisionswiderständen ergibt sich dagegen eine höhere Übertragungsgenauigkeit, Das hierzu komplementäre Verfahren ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Hierfür gelten im wesentlichen die gleichen Vorteile wie für das Verfahren nach Anspruch 1.
• Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist im Patentanspruch 3 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 im Patentanspruch 4 gekennzeichnet.
• Beide Schaltungsanordnungen haben einen sehr einfachen Aufbau und lassen sich mittels handelsüblicher Bauelemente herstellen. Die Stromquelle wird maximal mit 4 mA belastet, während nach dem Stand der Technik eine zweite Stromquelle mit einem Ausgangsstrom von maximal 16 mA erforderlich ist.
• Eine Weiterbildung dieser Anordnungen ist in Anspruch 5 gekennzeichnet. Diese Ausbildung ergibt eine Stromquelle mit hohem Steuereingangswiderstand, der die Stromumwandlung nicht verfälscht. Als Differenzverstärker kann ein handelsüblicher Differenzverstärker in integrierter Schaltung verwendet werden. Auch die Referenzspannungsquelle ist ein handelsübliches Bauelement.
• Durch die Weiterbildung dieser Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 7 ergibt sich die Möglichkeit, die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers genau auf einen gewünschten Wert einzustellen.
• Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
• Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines im Bereich von 0 bis 20 mA liegenden. Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom im Bereich von 4 bis 20 mA und Fig. 2 eine zur Schaltungsanordnung nach Fig. 1 komplementäre Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines im Bereich von 4 bis 20 mA liegenden Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom im Bereich von 0 bis 20 mA.
• Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 hat einen Eingang für einen im Bereich von 0 bis 20 mA liegenden Eingangsstrom Ie (einen sogenannten Dead-Zero-Strom) und einen Ausgang 22 für einen im Bereich von 4 bis 20 mA liegenden Ausgangsstrom Ia (einem sogenannten Live-Zero-Strom). Zwischen Eingang 21 und Ausgang 22 liegt ein ohmscher Widerstand 23. In Reihe mit diesem Widerstand liegt ein weiterer ohmscher Widerstand 24.
• An der Reihenschaltung der beiden Widerstände 23, 24 liegt eine steuerbare Stromquelle 25, wobei ihr Steuereingang 26 mit dem Ausgang 22 und ihr Ausgang 27 mit dem Widerstand 24 verbunden ist.
• Die Stromquelle 25 enthält einen Differenzverstärker 28 hoher Verstärkung und eine Referenzspannungsquelle 29 zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 28 und dem umkehrenden Eingang (-) des Differenzverstärkers 28.
• Der nicht umkehrende Eingang (+) des Differenzverstärkers 28 ist mit dem Ausgang 22 und der Differenzverstärkerausgang mit dem Widerstand 24 verbunden. Die Betriebsspannungsanschlüsse des Differenzverstärkers liegen am positiven Pol +UB bzw. am negativen Pol -UB einer Betriebsspannungsquelle von + 15 Volt, deren Nullpunkt gleichzeitig den Bezugspunkt für den Eingangsstrom Ie bildet.
• Die Referenzspannungsquelle 29 enthält ein einer Zener-Diode entsprechendes Referenzelement 30, das aus einer Zener-Diode, Verstärkern und Widerständen besteht und eine Spannung mit hoher Konstanz liefert.
• Der Pluspol des Referenzelements 30 ist mit dem Differenzverstärkerausgang und der Minuspol über einen hochohmigen Widerstand 31 mit dem negativen Pol UB der Betriebsspannungsquelle 28 verbunden. Ferner liegt parallel zum Referenzelement 30 ein Spannungsteiler aus einem festen ohmschen Widerstand 32 und einem einstellbaren ohmschen Widerstand 33, wobei der einstellbare Widerstand 33 mit dem Minuspol des Referenzelements 30 und der Verbindungspunkt beider Widerstände 32 und 33 mit dem umkehrenden Eingang (-) des Differenzverstärkers 28 verbunden ist.
• Die Widerstandswerte der ohmschen Widerstände sind in diesem Ausführungsbeispiel wie folgt gewählt, wobei für den Widerstandwert der Buchstabe R mit einer Indexzahl verwendet wird, die der Bezugszahl des jeweiligen Widerstands entspricht: R23 = 60 Ohm R24 = 240 Ohm R31 = 22 Kilo Ohm R32 = 22 Kilo-Ohm R33 = O...1 Kilo-Ohm Das Referenzelement 30 hat die Typenbezeichnung 8069 und erzeugt eine konstante Spannung von 1,21.. .1,25 Volt (je nach Exemplar).
• Der einstellbare Widerstand 33 ist so eingestellt, daß die Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärkers 28 gegenüber dem Steuereingang 26 einen Betrag von 1,2 Volt aufweist.
• Damit ergibt sich bei einem Eingangsstrom Ie = O an der Reihenschaltung der Widerstände 23 und 24 eine Spannung von 1,2 V, d.h,, es fließt ein Ausgangsstrom Ia = 4 mA.
• Beträgt der Eingangsstrom Ie = 20 mA, so tritt am Widerstand 23 ein Spannungsabfall von 1,2 Volt auf.
• Die Spannung am Widerstand 24 ist 0, so daß dieser Widerstand 24 stromlos ist, d. h. der Ausgangsstrom Ta ist gleich dem Eingangsstrom Ie = 20 mA.
• Die komplementäre Schaltungsanordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die Aus- und Eingänge für die Ströme ie, 1a vertauscht sind, das Referenzelement 30 umgekehrt gepolt und der Widerstand 31 nicht mit dem negativen, sondern mit dem positiven Pol +UB der Betrieusspannungsquelle des Differenzverstärkers 28 verbunden ist. Der Eingang für den Eingangsstrom 1 im Bereich von 4 bis 20 e rnA ist mit 21k und der Ausgang für den Ausgangsstrorn 1a im Bereich von 0 bis 20 mA mit 22k bezeichnet.
• Während im Fall der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 der Zusatzstrom Iz durch die Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärkers 28 in der gleichen Richtung wie der Eingangsstrom Ie durch den Widerstand 23 getrieben wird, so daß sich Eingangsstrom le und Zusatzstrom Iz zur Bildung des Ausgangsstroms Ia addieren, entzieht die Ausgangsspannung U& irn Falle der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 über den Widerstand 24 den Zusatzstrom 1 dem stroh ie, so daß der Ausgangsz strom 1 dem um z verminderte Eingangsstrom e a entspricht.
• Die angegebenen Werte der Spannungen und Widerstände können auch anders gewählt werden. Bei den angegebenen Bereichen der Eingangs- und Ausgangsströme ist lediglich das Verhältnis der Widerstandswerte R23 und R24 und die Spannung Ua so zu wählen, daß sich der Widerstandswert R23 zur Summe der Widerstanqswerte R23 + R24 wie 1 zu 5 verhält und das Verhältnis Ua/(R23 + R24) = 4 mA beträgt.
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Claims (7)

1. PatentansprUche 1. Verfahren zum Umwandeln eines im Bereich von 0 bis 20 mA liegenden Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom im Bereich von 4 bis 20 mA, der als Anteil einen Zusatzstrom enthält, der 4 mA bei einem Eingangsstrom von 0 mA beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom (Ia) durch die Summe von Eingangsstrom (Ie) und Zusatzsstrom (Iz) gebildet wird und daß der Zusatzstrom (Iz) durch den -Eingangsstrom (Ie) derart gesteuert wird, daß der Zusatzstrom (Iz) mit zunehmendem Eingangsstrom (Ie) von 4 mA bei 0 mA Eingangsstrom (Ie) auf 0 mA bei 20 mA Eingangsstrom (Ie) linear abnimmt.
2. 2. Verfahren zum Umwandeln eines im Bereich von 4 bis 20 mA liegenden Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom im Bereich von 0 bis 20 mA, wobei der Eingangsstrom als Anteil einen Zusatzstrom enthält, der 4 mA bei einem Ausgangsstrom von 0 mA beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom (ia) durch Sllbtraktion des Zusatzstroms (iz) vom Eingangsstrom (ie) gebildet wird und daß der Zusatzstrom (iz) durch den Eingangsstrom (ie) derart gesteuert wird, daß der Zusatzstrom (iz) mit zunehmendem Eingangsstrom (ie) von 4 rnA bei einem Eingangsstrom (ie) von 4 mA auf 0 mA bei einem Eingangsstrom (1 e> von 20 mA linear abnimmt.
3. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die -Reihenschaltung zweier ohmscher Widerstände (23, 24) zwischen dem Ausgang (27) und dem Steuereingang (26) einer steuerbaren Stromquelle (25) mit konstanter Spannung (Ua) zwischen ihrem Ausgang (27) und dem Steuereingang (26) liegt, daß der Verbindungspunkt der Widerstände den Eingang (21) für den Eingangsstrom (Ie) und der mit dem Steuereingang (26) der Stromquelle (25) verbundene Anschluß des einen Widerstands (23) den Ausgang (22) für den Ausgangsstrom (Ia) bildet und daß sich der Widerstandswert (R23) dieses einen Widerstands (23) zum Gesamtwiderstandswert (R23 + R24) beider Widerstände (23, 24) wie 1 zu 5 verhält und das Verhältnis der zwischen Ausgang (27) und Steuereingang (26) der Stromquelle (25) liegenden Spannung (Ua) zum Gesamtwiderstandswert (R23 + R24) der beiden Widerstände (23, 24) 4 mA beträgt.
4. 4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung zweier ohmscher Widerstände (23, 24) zwischen dem Ausgang (27) und dem Steuereingang (26) einer steuerbaren Stromquelle (25) mit konstanter Spannung (Ua) zwischen ihrem Ausgang (27) und dem Steuereingang (26) liegt, daß der Verbindungspunkt der Widerstände den Ausgang (22k) für den Ausgangsstrom (ia) und der mit dem Steuereingang (26) der Stromquelle (25) verbundene Anschluß des einen Widerstandes den Eingang für den Eingangsstrom (ie) bildet und daß sich der Widerstandswert (R23) dieses einen Widerstands (23) zum Gesamtwiderstandswert (R23 + R24) beider Widerstände (23, 24) wie 1 zu 5 verhält und das Verhältnis der zwischen Ausgang (27) und Steuereingang (26) der Stromquelle (25) liegenden Spannung (Ua) zum Gesamtwiderstandswert (R23 + R24) der beiden Widerstände (23, 24) 4 mA beträgt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (25) einen Differenzverstärker (28) hoher Verstärkung aufweist, dessen nicht umkehrender Eingang (+) den Steuereingang (26) und dessen Ausgang den Ausgang (27) der Strom quelle (25) bildet und daß zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers und seinem umkehrenden Eingang (-) eine Referenzspannlmgsquelle (29) mit einem einer Zener-Diode entsprechenden Referenzelement (30) liegt.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle (29) parallel zum Referenzelement (30) einen einstellbaren Spannungsteiler (32, 33) aufweist, dessen Abgriff mit dem umkehrenden Eingang (-) des Differenzverstärkers (28) verbunden ist, und daß der Pluspol des Referenzelements (30) mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (28) verbunden ist.
7. 7. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle (29) parallel zum Referenzelement (30) einen einstellbaren Spannungsteiler (32, 33) aufweist, dessen Abgriff mit dem umkehrenden Eingang (-) des Differenzverstärkers (28) verbunden ist, und daß der Minuspol des Referenzelements (30) mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (28) verbunden ist.