DE3510737A1 - Schaltungsanordnung zur stabilisierung von stroemen in messumformern - Google Patents

Schaltungsanordnung zur stabilisierung von stroemen in messumformern

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DE3510737A1
DE3510737A1 DE19853510737 DE3510737A DE3510737A1 DE 3510737 A1 DE3510737 A1 DE 3510737A1 DE 19853510737 DE19853510737 DE 19853510737 DE 3510737 A DE3510737 A DE 3510737A DE 3510737 A1 DE3510737 A1 DE 3510737A1
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00

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Description

  • Teil der Erfindung
  • Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Strömen in Meßumformern Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Strömen und Verstärkung von Spannungen in Meßumformern in der Meß- und Automatisierungstechnik.
  • Mit dieser Schaltungsanordnung kannen alle elektrischen Fühlerausgangssignale -Ströme, Spannungen, Widerständein ein elektrisches Einheitssignal umgeformt und verstärkt werden.
  • Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In allen biaher bekannten Meßumformerschaltungen werden zur Meßbero ichs anpassung oder zur Widerstandsspannungswandlung Brückenschaltungen, allgemein als Eingangsachaltung bezeichnet, eingesetzt, die entweder als Volle brücke, Halbbrücke bzw. Spannungsteiler ausgelegt sind.
  • So ist z.B. eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Strömen in Meßumformern nach DD 159279 bekannt, bei der es Jedoch auch unter Nutzung von Schaltungsintegra -tionsverfahren große Probleme gibt.
  • Durch die schaltungstechnische aufteilung in einzelne Funktionsgruppen wie Doppelstromquelle, Referenzelement, Mittenspannungserzeugung, Meßbereichsschaltung und Verstärker müssen unterschiedliche Technologien in die Schaltungsintegration einbezogen werden. Die Anzahl der einzelnen Bauelemente mit Sonderbedigungen ist sehr hoch.
  • Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch das definierte 4 bis 20 mi-Einheitssignal in den einzelnen Funktions -gruppen unterschiedliche Leistungen umgesetzt werden.
  • Besonders in der Mittenspannungserzeugung wird durch das ansteuerungsabhängige 0 bis 16 mA-Signal eine ansteuerungsabhängige Erwärmung wirksam, so daß im Gesamtschaltkreis Driftprobleme zu erwarten sind.
  • Dieser Nachteil ist nur zu beseitigen, wenn die Schaltungsanordnung ohne Mittenspannungserzeugung realisiert wird. Dadurch ist allerdings der Einsatz von Operationsverstärkern zur Verstärkung des Meßsignals unmöglich, was dann wiederum als Nachteil zu werten ist. Nachteil bei der erwähnten Ausführung ist auch, daß durch Referenzelement und Mittenspannungserzeugung Querstromverluste für die Meßbereichsschaltung auftreten und dadurch nicht der gesamte 4 mA Grundstrom in der Meßbereichsschaltung zur Anpassung der Fühlersignale zur Verfügung steht. Speziell für Widerstandsspannungswandlungen (beispielsweise Widerstandsthermometer als Fühler) in der Meßbereichsschaltung wird somit das zu verstärkende Spannungssignal verringert.
  • In der Patentschrift DD 135 303 Go 12/ 203466 wird eine Vereinigung von aktiven Elementen und Meßbereichsbeschaltung vorgeschlagen. Hier wird in Form einer aktiven Brückenschaltung eine Meßbereichsanpassung vorgenommen. Die Temperature stabilität der Anordnung wird durch den Stromspiegel und damit durch die beiden Basis-Emitter-Strecken bestimmt.
  • Obwohl in dieser Patentschrift die Temperaturstabilität als ausreichend angegeben wird, und es sich um aktive Stromquellen handelt, wirkt diese Anordnung auf die Meßbereichsbestimmenden Widerstände nur passiv, d.h. also, der eingespeiste Strom erzeugt lediglich einem Spannungsabfall, der separat verarbeitet werden muß.
  • Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile bei gleichzeitiger Verbesserung der technischen Parameter zu vermeiden, den Bauelementeeinsatz zu verringern, sowie den Fertigungsaufwand entscheidend zu reduzieren.
  • Der nützliche Effekt der Erfindung besteht darms, daß durch die erfindungsgemäße Ausführungs die Möglichkeit geschaffen wurde, eine unproblematische Schaltungsintegration durchzuführen, so daß Meßumformer mit minimalen Maßen und miniaturisiertem Volumen aufgebaut werden können. Damit ist der use gangspunkt für eine konstruktive Vereinigung von Meßfühlern und Meßumformern erreicht. Der Meßumformer kann in den Anschlußraum des Meßftlhlers, beispielsweise eines Widerstandsthermometers, eingebaut werden. Somit entstehen Meßfühler mit Einheitssignalausgang.
  • Ein weiterer nützlicher Effekt ergibt sich daraus, daß für Meßfühler mit Einheitssignalausgang die Verlegung von Spezialleitungen, wie beispielweise bei Widerstands- oder Thermoelementenmessungen, entfällt uxd alle Vorzüge einer Einheitssignalübertragung wirksam werden.
  • Gleichzeitig wirkt sich dei erfindungsgemäße Ausführung der Meßumformerschaltung auf die Kosten pro Meßstelle positiv aus.
  • Ferner wird mit Hilfe der Erfindung eine Erhöhung der Zuverlässigkeit erreicht.
  • Ein nützlicher Effekt der vorliegenden Erfindung entsteht außerdem dadurch, daß eine Einheit zwischen Fühler uid Meßumformer angestrebt wird, wobei eine definierte Schnittstelle in einer Automatisierungsanlage nur noch das Einheitssignal iet und somit die Elektronik auf viele bisher sicht gebräuchliche Fühlerelemente, die techiologisch bedingte große Toleranzen haben, beim Gerätehersteller abgeglichen werden können.
  • Hierbei ist die enorme Einsparung von Platinwiderstandsthermometern beachtlich, die durch Halbleiterelemente ersetzt werden können.
  • Die erfindungsgemäße Ausführungs erlaubt einen multivalenten Einsatz. Es können alle in der Automatisierungstechnik zur Zeit eingesetzten Meßfühler speziell in der Temperaturmeßtechnik angeschlossen werden.
  • Darlegung des Wesens der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Strömen und Verstärkung von Spannungen in Meßumformern zu schaffen, die bei wesentlich geringerem Schaltua- und Bauelementeaufwand den Aufbau eines miniaturisierten Meß -umformers gestattet, eine höhere Zuverlässigkeit erreicht, weiterhin eine aussteuerungsabhängige Erwärmung der Schaltung minimiert und den 4 mA Grundstrom ohne Stromverluste in die Meßschaltung einspeist.
  • Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Doppelstromquelle mit gemeinsamen Fußpunkt einen Stromapiegel, bestehend aus zwei Transistoren, wobei einer der Transistoren einen Basis-Kollektor-Kurzschluß aufweist und die Emitter der erwähnten Transistoren in einen aus weiteren zwei Transistoren bestehenden zweiten Stromspiegel einspeisen, wobei auf der entgegengesetzten Seite des einen Transistors der andere Transistor den Basis-Kollektor-Kurzschluß aufweist und die beiden Emitter der anderen beiden Transistoren mit einer Meßbereichsschaltung verbunden sind. In diese Meßbereichsschaltung speist sine Endstufe einen Strom ein, wobei die Endstufe zur Ansteuerung mit dem Kollektor des einen Transistors verbunden ist.
  • Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden Hierbei zeigen Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Fig. 2 Ausgestaltung der Meßbereichsschaltung Fig. 3 Möglichkeiten für Verarbeitung von Meßwiderständen in 4-Leitertechnik bzw. Ferngebern Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung s. Jig. 1 besteht im wesentlichen aus einer Doppelstromquelle II zwei Stromspiegeln, die aus je zwei Transistoren 2,3 und 4;5 gebildet werden, wobei die beiden Transistoren 4 und 5 mit einer Meßbereichsschaltung 6 verbunden sind, in die eine Endstufe 7 einen Strom einspeist. Der Transistor 3 sowie der Transistor 4 weisen einen Basis-Kollektor-Eurzschluß auf, wobei letzterer auf der entgegengesetzten Seite des Transistors 3 angeordnet ist.
  • Die Endstufe 7 ist zur Ansteuerung mit dem Kollektor des Transistors 2 verbunden.
  • Fig. 2 zeigt die mögliche Ausgestaltung der meßbereichsschaltung 6 mit Meßwiderstand 8, Nullpunktunterdrückungswiderstand 9 und Kompensationswiderstand 10.
  • In Fig. 3 wird dargestellt, wie Meßwiderstand 8 über Leitungswiderstände 11 in den Stromspiegel der Transistoren 4 und 5 eingekoppelt werden kann. us einer Doppelatromquelle 1 wird der erste Stromspiegel, der aus den Transistoren 2 und 3 besteht, gespeist, wobei der Transistor 3 den Basis-Kollektor-Kurzschluß aufweist. In die Emitterleitungen ist ein zweiter Stromspiegel, bestehend aus den Transistoren 4 und 5, geschaltet, wobei hier der Transistor 4 den Basis-Kollektor-Kurzschluß auf der entgegenesetzten Seite gegenüber dem ersten Stromspiegel aufweist.
  • Durch diese Maßnahme wird eine Basisstromkorrektur des Transistors 2 durch Transistor 5 vorgenommen, so daß in den Emitterleitungen der Transistoren 4 und 5 wieder genau die Ströme der Doppelstromquelle fließen. Der Emitterstrom des Transistors 4 wird in den Meßwiderstand 8 eingespeist. Die Einspeisung der Emitterstroms des Transistors 5 erfolgt in den Nullpwiktunterdrtiokungswiderstand 9 und in den Kompensationswiderstand 10. Der Meßbereichsanfang wird durch den Nullpunktunterdrückungswiderstand 9 festgelegt. Bei beginnender Aussteuerung durch den Meßwiderstand 8 (Vergrößerung des Widerstandes) verkleinert der Transistor 5 sein Kolloktorpotential und somit vergrößert der Transistor 2 sein ollektorpotential. Durch die Doppelstromquelle 1 arbeiten die Transistoren auf dynamisch hochohmige Kollektorwiderstände und erreichen somit hohe Spannungsverstärkungen. Durch die Endstufe 7 wird ein Kompensationsstrom erzeugt, der am Kompensationswiderstand 10 einen Spannungsabfall erzeugt, der äuquivalent zur Widerstandsänderung des Meßwiderstandes 8 multlipliziert mit dem Strom dar Doppelstromquelle 1 ist und somit als Einheitsstroms bartragen werden kann.
  • Die Doppelanordnung der Stromspiegel dient zur Temperaturkompensation der Basisströme und der Basis-Emitter-Spannungen.
  • Eine Potentialänderung des Emitters am Transistor 4 kann auch durch einen Festwiderstand anstelle des Meßwiderstandes 8 erreicht werden, wobei dann Ströme in Einheitsstromsignal gewandelt werden kannen.
  • isbenso kann die Potentialdn'derung am emitter des Transistors 4 durch eine Spannungseinspeisung in Reihe zu einem Festwiderstand anstelle des eßwiderstandes 8 erreicht werden, so daß Spannungen ebenfalls in Einheitsstromsignale gewandelt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstelle des Meßwiderstandes 8 einen Festwiderstand enzusetzen und in die Verbindung der Basisleitung vom Transistor 4 zum Transistor 5 eine Sapnnungsquelle einzuschalten, die über die Veränderung des Basispotentials des Transistors 5 beeinflußt und somit einen Kompensationsstrom in bereits beschriebener Weise erzeugt, der dann wiederum als Einheitsstromsignal übertragen werden kann.
  • Unter Beibehaltung des erfindungsgemäßen Prinzips besteht speziell für die Verarbeitung von Meßwiderständen in 4-Leitertechnik oder Ferngebern die Möglichkeit, gemäß Fig. 3 den Meßwiderstand 8 über Leitungswiderstände 11 in den Stromspiegel der Transistoren 4 und 5 einzus.
  • koppeln.
  • Bei gleichartigen Transistoren 2; 3; 4 und 5 fließen durch die Beitungswiderstände ii nur um die Stronver-.starkung der Transistoren verkleinerte Ströme, deren Wirkung sich kompensiert und keinen Meßfehler verursache.
  • Der Leitungawiderstand 11 in der Emitterleitung von Transistor 2 wird durch die Spannungsverstärkung des Transistors 5 kompensiert.
  • Der Leitungswiderstand 11 in cier Kollektorleitung von T ransistor 4 wird durch die Spannungsverstärkung des Transistors 4 ebenfalls kompensiert.
  • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Doppelstromquelle 2 Transistor 3 Transistor 4 Transistor 5 Transistor 6 Meßbereichsschaltung 7 Endstufe 8 Meßwiderstand 9 Nullpunktunterdrückungswiderstand 10 Kompensationswiderstand 11 Leitungswiderstand - Leerseite -

Claims (2)

  1. Erfindungsansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Strömen und Verstärkung von Spannungen in Meßumformern dadurch gekennzeichnet, daß eine Doppelstromquelle (1) mit gemeinsamez Bußpunkt einen Stromspiegel, bestehend aus Transistoren (2) und (3), wobei der Tran-5 istor (3) einen Bas is-ollektor-Kurzsch1uß aufweist, speist, und die Emitter der Transistoren (2); (3) in einen aus Transistoren (4) und (5) bestehenden zweiten 8tromspiegel einspeisen, wobei auf der entgegengesetzten Seite vom Transistor (3) der Transistor (4) den 3asis-Kollektor-Kurzschltiß aufweist und die beiden Emitter der Transistoren (4g5) mit einer Meßbersichsschaltung (6) verbunden sind und in diese Meßbereichsschaltung (6) eine EndatuSe (7) einen Strom einspeist, wobei die Endstufe (7) zur Ansteuerung mit dem Kollektor des Transistors (2) verbunden ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Aspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Meßbereichsschaltung (6) beispielsweise Meßwiderstand (8), Nullpunktunterdrückungswiders tand (9) und Kompensationswiderstand (10) aufweist.
DE19853510737 1984-06-18 1985-03-25 Schaltungsanordnung zur stabilisierung von stroemen in messumformern Granted DE3510737A1 (de)

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