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Teil der Erfindung
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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.
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Mit dieser Schaltungsanordnung kannen alle elektrischen Fühlerausgangssignale
-Ströme, Spannungen, Widerständein ein elektrisches Einheitssignal umgeformt und
verstärkt werden.
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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.
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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.
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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.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch das definierte 4 bis
20 mi-Einheitssignal in den einzelnen Funktions -gruppen unterschiedliche Leistungen
umgesetzt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gleichzeitig wirkt sich dei erfindungsgemäße Ausführung der Meßumformerschaltung
auf die Kosten pro Meßstelle positiv aus.
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Ferner wird mit Hilfe der Erfindung eine Erhöhung der Zuverlässigkeit
erreicht.
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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.
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Hierbei ist die enorme Einsparung von Platinwiderstandsthermometern
beachtlich, die durch Halbleiterelemente ersetzt werden können.
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Die erfindungsgemäße Ausführungs erlaubt einen multivalenten Einsatz.
Es können alle in der Automatisierungstechnik zur Zeit eingesetzten Meßfühler speziell
in der Temperaturmeßtechnik angeschlossen werden.
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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.
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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.
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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.
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Die Endstufe 7 ist zur Ansteuerung mit dem Kollektor des Transistors
2 verbunden.
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Fig. 2 zeigt die mögliche Ausgestaltung der meßbereichsschaltung 6
mit Meßwiderstand 8, Nullpunktunterdrückungswiderstand 9 und Kompensationswiderstand
10.
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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.
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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.
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Die Doppelanordnung der Stromspiegel dient zur Temperaturkompensation
der Basisströme und der Basis-Emitter-Spannungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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koppeln.
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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.
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Der Leitungawiderstand 11 in der Emitterleitung von Transistor 2 wird
durch die Spannungsverstärkung des Transistors 5 kompensiert.
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Der Leitungswiderstand 11 in cier Kollektorleitung von T ransistor
4 wird durch die Spannungsverstärkung des Transistors 4 ebenfalls kompensiert.
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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
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