DE4211978A1

DE4211978A1 - Auxiliary energy-free transducer for live-zero current signals in measurement voltages - has bridge circuit with two reference arms and two measurement arms

Info

Publication number: DE4211978A1
Application number: DE19924211978
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Knick
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1993-10-14

Abstract

The transducer has a bridge circuit with two diagonally opposed supply nodes, at which the current for conversion is fed in and out, and two voltage nodes, at which the output voltage is measured. Reference voltages are formed across reference elements (10,11) with current-independent voltage in two diagonally opposed branches (3,4). Resistance elements (R1,R2) occupy the other two branches (2,5). The Ohmic resistance of a parallel circuit contg. the two resistance branches corresp. to the quotient of the desired change in output voltage (UA) and the difference of the maximum and minimum currents of the live-zero current signal. USE/ADVANTAGE - For conversion of live-zero currents in measurement voltages whose measurement range origin is shifted w.r.t. the live-zero signal, esp. in dead-zero voltages. The minimal and/or maximal value of the output voltage can be freely selected without requiring additional energy.

Description

Die Erfindung betrifft einen hilfsenergiefreien Wandler für Live-zero-Stromsignale in Meßspannungen, deren Meß bereichsanfang gegenüber dem Life-zero-Signal verscho ben ist, insbesondere in Dead-zero-Spannungen, mit einer Brückenschaltung, die zwei diagonal gegenüberliegende Einspeiseknoten, an denen der zu wandelnde Strom ein- bzw. ausgeleitet wird, und zwei diagonal gegenüberlie gende Spannungsknoten, zwischen denen eine Ausgangs spannung als Meßspannung abnehmbar ist, aufweist.The invention relates to an auxiliary energy-free converter for live zero current signals in measuring voltages, the measuring beginning of area shifted from the life zero signal ben, especially in dead-zero voltages, with a Bridge circuit, the two diagonally opposite Infeed nodes at which the electricity to be converted enters or is diverted, and two diagonally opposite voltage nodes between which an output voltage can be removed as measuring voltage.

Live-zero-Stromsignale übertragen Informationen durch unterschiedliche Stromstärken, beispielsweise im Be reich von 4 mA bis 20 mA, wobei der Bereich von 0 bis 4 mA zur Versorgung von möglichen Empfängern vorgesehen ist. Live zero current signals carry information through different currents, for example in loading range from 4 mA to 20 mA, the range from 0 to 4 mA are provided to supply possible receivers is.

Zur Auswertung der Informationen werden in vielen Fäl len aber nicht Stromwerte, sondern Spannungen benötigt. Man kann dazu den Spannungsabfall über einen Widerstand messen. Bei diesem einfachen Strom/Spannungswandler verbleibt aber aufgrund des Minimalstromes von 4 mA auch immer eine Minimalspannung, die bei der Auswertung unter Umständen zusätzliche Berechnungen notwendig macht, um die eigentliche Information zu gewinnen. Auch die maximale Ausgangsspannung ist durch den maximalen Strom festgelegt. Eine Verschiebung dieses Ausgangs spannungsbereiches ist nicht möglich.To evaluate the information in many cases len but not current values, but voltages required. You can do this by dropping the voltage across a resistor measure up. With this simple current / voltage converter remains due to the minimum current of 4 mA also always a minimum voltage that is used in the evaluation additional calculations may be necessary to get the actual information. Also the maximum output voltage is by the maximum Current set. A postponement of this exit voltage range is not possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler für Live-zero-Stromsignale in Meßspannungen anzugeben, bei dem der Minimal- und/oder der Maximalwert der Aus gangsspannung frei wählbar sind, ohne daß eine Hilfs energie erforderlich ist.The invention has for its object a converter for live zero current signals in measuring voltages, at which the minimum and / or the maximum value of the off are freely selectable without an auxiliary energy is required.

Diese Aufgabe wird bei einem Wandler der eingangs ge nannten Art dadurch gelöst, daß zwei diagonal gegen überliegende Zweige als Spannungsreferenzzweige durch Spannungsreferenzelemente mit stromunabbängig vorgege benem Spannungsabfall gebildet sind und die beiden an deren Zweige als Widerstandszweige Bauelemente mit stromabhängigem Spannungsabfall aufweisen, die einer seits über die Einspeiseknoten und andererseits über die Spannungsknoten mit den Spannungsreferenzzweigen verbunden sind, wobei der ohmsche Widerstand einer Par allelschaltung der beiden Widerstandszweige dem Quo tienten aus der gewünschten Änderung der Ausgangsspan nung und der Differenz aus dem Maximalwert und dem Mi nimalwert des Live-Zero-Stroms entspricht.This task is ge with a converter of the beginning named type solved in that two diagonally against overlying branches as voltage reference branches Voltage reference elements with current independent ben voltage drop are formed and the two on whose branches as resistance branches with components current-dependent voltage drop, which one on the one hand via the feed nodes and on the other hand via the voltage nodes with the voltage reference branches are connected, the ohmic resistance of a par allel circuit of the two resistance branches to the quo based on the desired change in the output span and the difference between the maximum value and the Mi corresponds to the nominal value of the live zero current.

Die Ausgangsspannung wird hier durch die Potentialdif ferenz zwischen den beiden Spannungsknoten erzeugt. Die Spannungsreferenzelemente können beispielsweise durch integrierte Schaltungen der Typen LM185 von National Semiconductor, REF-01 von Precision Monolithics Inc., TL431M von Motorola oder vergleichbare Bauelemente ge bildet sein. Der stromabhängige Spannungsabfall kann beispielsweise durch ohmsche Widerstände bewirkt wer den. Durch das eine Spannungsreferenzelement wird der zugehörige Spannungsknoten gegenüber dem negativen Ein speiseknoten auf ein vorbestimmtes Potential angehoben. Dieses Potential wird vom Potential des anderen Span nungsknotens abgezogen. Durch die Wahl des Spannungs abfalls an diesem Spannungsreferenzelement und die Wahl des Widerstands im mit dem gleichen Einspeiseknoten verbundenen Widerstandszweig läßt sich der Mindestwert der Ausgangsspannung, der dem Mindestwert des Live-zero-Signals entspricht, in relativ weiten Grenzen verschieben. Er kann sogar einen negativen Wert anneh men, so daß beispielsweise der Ausgangsspannungsbereich symmetrisch zur Nullinie angeordnet werden kann. Das gleiche gilt für den Maximalwert der Ausgangsspannung. Durch Wahl des Minimalwerts und des Maximalwerts der Ausgangsspannung und die daraus folgende Wahl der Größe der ohmschen Widerstände in den Widerstandszweigen läßt sich auch die Übersetzung zwischen Strom und Spannung des Strom/Spannungswandlers einstellen. Insbesondere, wenn die eine Grenze des Spannungsbereichs auf den Wert 0 V festgelegt ist, läßt sich hierbei eine sehr einfa che Auswertung bewerkstelligen. So kann der Bereich des Live-zero-Normsignals von 4 bis 20 mA ohne weiteres in einen Dead-zero-Spannungsbereich von 0 bis 10 V gewan delt werden. In diesem Fall beträgt der Widerstand der Parallelschaltung 625 Ohm.The output voltage is determined by the potential dif generated between the two voltage nodes. The Voltage reference elements can, for example, by National LM185 Integrated Circuits Semiconductor, REF-01 from Precision Monolithics Inc., TL431M from Motorola or comparable components be educated. The current-dependent voltage drop can for example by ohmic resistances the. The one voltage reference element is the associated voltage node versus negative on feed nodes raised to a predetermined potential. This potential is the potential of the other span node is subtracted. By choosing the voltage falling off at this voltage reference element and the choice of resistance in the same feed node connected resistance branch, the minimum value the output voltage, which is the minimum value of the Live zero signal corresponds, within relatively wide limits move. It can even have a negative value men, so that for example the output voltage range can be arranged symmetrically to the zero line. The the same applies to the maximum value of the output voltage. By choosing the minimum and maximum value of the Output voltage and the resulting choice of size the ohmic resistors in the resistor branches also the translation between current and voltage of the current / voltage converter. In particular, if the one limit of the voltage range to the value 0 V is fixed, this can be a very simple accomplish the evaluation. So the area of Live zero standard signal from 4 to 20 mA easily in a dead-zero voltage range of 0 to 10 V. be delt. In this case the resistance is Parallel connection 625 ohms.

Vorteilhafterweise ist der Spannungsabfall in min destens einem der Spannungsreferenzzweige durch Be schalten des Spannungsreferenzelements mit einem Wider standspaar einstellbar. Hierdurch lassen sich mögliche Ungenauigkeiten bei den Spannungsreferenzelementen ab gleichen. Das Spannungsreferenzelement enthält hierzu beispielsweise eine Steuerelektrode.The voltage drop is advantageously in min least one of the voltage reference branches through Be switch the voltage reference element with a counter stand pair adjustable. This makes possible Inaccuracies in the voltage reference elements same. For this purpose, the voltage reference element contains for example a control electrode.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Spannungsabfall in jedem Spannungsreferenzzweig genauso groß wie der Spannungsabfall im am gleichen Einspeise knoten angeschlossenen Widerstandszweig bei minimalem Strom. In diesem Fall ergibt sich bei minimalem Strom ein Ausgangsspannungswert von 0 Volt.In a particularly preferred embodiment, the Voltage drop in every voltage reference branch is the same large as the voltage drop in the same feed node connected resistor branch with minimal Electricity. In this case, the current is minimal an output voltage value of 0 volts.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt die einzige Figur:
ein Prinzipschaltbild des Strom/Spannungswandlers.The invention is described below on the basis of preferred exemplary embodiments in conjunction with the drawing. Here the only figure shows:
a schematic diagram of the current / voltage converter.

Ein Strom/Spannungswandler 1 ist nach Art einer Brücke aufgebaut, d. h. er weist vier Zweige 2, 3, 4, 5 auf, die im Viereck zusammengeschaltet sind. Hierbei werden zwei diagonal gegenüberliegende Knotenpunkte, an denen der zu wandelnde Strom ein- bzw. ausgeleitet wird, der Einfachheit halber als Einspeiseknoten 6, 7 bezeichnet. Der obere Knoten, der mit + verbunden ist, ist hierbei der positive Einspeisungsknoten 6, der untere, der mit - verbunden ist, der negative Einspeiseknoten 7. Zwischen dem positiven Einspeiseknoten 6 und dem nega tiven Einspeiseknoten 7 sind zwei Zweigpaare 2, 3 bzw. 4, 5 parallel geschaltet, wobei das eine Zweigpaar aus der Reihenschaltung eines Widerstandszweiges 2 mit ei nem Spannungsreferenzzweig 3 und das andere Zweigpaar aus der Reihenschaltung eines Spannungsreferenzzweiges 4 mit einem Widerstandszweig 5 besteht. Die beiden Spannungsreferenzzweige 3, 4 sind also in der Brücken schaltung diagonal gegenüber angeordnet. Das gleiche gilt für die Widerstandszweige 2, 5. Die beiden ver bleibenden Knoten der Brücke werden der Einfachheit halber als Spannungsknoten 8, 9 bezeichnet. A current / voltage converter 1 is constructed in the manner of a bridge, ie it has four branches 2 , 3 , 4 , 5 , which are interconnected in a square. In this case, two diagonally opposite nodes at which the current to be converted is introduced or discharged are referred to as feed nodes 6 , 7 for the sake of simplicity. The upper node, which is connected to +, is the positive feed node 6 , the lower one, which is connected to -, the negative feed node 7 . Between the positive infeed node 6 and the nega tive infeed node 7 , two pairs of branches 2 , 3 and 4 , 5 are connected in parallel, the one pair of branches from the series connection of a resistance branch 2 with a voltage reference branch 3 and the other pair of branches from the series connection of a voltage reference branch 4 with a resistance branch 5 . The two voltage reference branches 3 , 4 are thus arranged diagonally opposite one another in the bridge circuit. The same applies to the resistance branches 2 , 5 . The two remaining nodes of the bridge are referred to as voltage nodes 8 , 9 for the sake of simplicity.

Jeder Spannungsreferenzzweig 3, 4 erzeugt einen strom unabhängigen Spannungsabfall, während jeder Wider standszweig 2, 5 einen Spannungsabfall erzeugt, der von dem durch den entsprechenden Zweig fließenden Strom abhängig ist. Die Referenzspannungszweige 3, 4 können beispielsweise durch Spannungsreferenzelemente 10, 11, wie integrierte Schaltungen der Typen LM185 von Natio nal Semiconductor, REF-01 von Precision Monolithics Inc., TL431M von Motorola oder vergleichbare Bauelemen te, gebildet sein. Mit Hilfe von mit Spannungsteilern R3, R4 bzw. R5, R6 beschalteten Steueranschlüssen 12, 13 können die Spannungen über die Spannungsreferenzel emente gegebenenfalls eingestellt werden, wobei durch eine geeignete Dimensionierung der Widerstände R3 bis R6 Ungenauigkeiten der Spannungsreferenzelemente abge glichen werden können. Die Widerstandszweige 2, 5 wei sen jeweils einen Widerstand R1, R2 auf.Each voltage reference branch 3 , 4 generates a current-independent voltage drop, while each resistance branch 2 , 5 generates a voltage drop which is dependent on the current flowing through the corresponding branch. The reference voltage branches 3 , 4 can be formed, for example, by voltage reference elements 10 , 11 , such as integrated circuits of the types LM185 from National Semiconductor, REF-01 from Precision Monolithics Inc., TL431M from Motorola or comparable components. With the help of voltage dividers R3, R4 or R5, R6 connected control connections 12 , 13 , the voltages can be adjusted via the voltage reference elements if necessary, whereby inaccuracies of the voltage reference elements can be compensated for by a suitable dimensioning of the resistors R3 to R6. The resistor branches 2 , 5 each have a resistor R1, R2.

Der Eingangsstrom I_E, der eine Amplitude im Bereich zwischen 4 mA und 20 mA hat, also als Live-zero-Strom ausgebildet ist, wird am positiven Einspeiseknoten 6 zugeführt. Der Eingangsstrom I_E teilt sich in die bei den Teilströme I₁, I₂ auf. Der Strom I₁ verursacht am Widerstand R1 einen Spannungsabfall der Größe U₂. In gleicher Weise verursacht der Strom I₂ am Widerstand R2 einen Spannungsabfall der Größe U₅. In den Spannungs referenzzweigen 3, 4 fallen an den Spannungsreferenzel ementen 10, 11 die Spannungen U₃, U₄ ab.The input current I _E , which has an amplitude in the range between 4 mA and 20 mA, that is to say is designed as a live zero current, is supplied to the positive feed node 6 . The input current I _E is divided into those for the partial currents I ₁ , I ₂ . The current I ₁ causes a voltage drop of the magnitude U ₂ across the resistor R1. In the same way, the current I ₂ across resistor R2 causes a voltage drop of size U ₅ . In the voltage reference branches 3 , 4 , the voltages U ₃ , U ₄ drop at the voltage reference elements 10 , 11 .

Zwischen den Spannungsknoten 8, 9 läßt sich die Aus gangsspannung U_A des Strom/Spannungswandlers 1 abneh men. Diese Ausgangsspannung ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Spannungsknoten 8, 9. Das Potential des Spannungsknotens 8 ist gegenüber dem Potential des negativen Einspeiseknotens 7 durch den stromunabhängi gen Spannungsabfall U₃ erhöht. Das Potential des Span nungsknotens 9 ist gegenüber dem Potential des negati ven Einspeiseknotens 7 um die Spannung U₅ erhöht, die vom Strom I₂ abhängt. Durch eine geeignete Dimensionie rung der Spannung U₃ und der Widerstände R1, R2 läßt sich der Minimalwert der Ausgangsspannung U_A beeinflus sen. Wenn beispielsweise die Spannung U₅ für den Fall des minimalen Eingangsstromes I_E von 4 mA genau der Spannung U₃ entspricht, ist für den Fall des minimalen Eingangsstromes die Ausgangsspannung U_A gleich Null. Wird die Spannung U₃ größer gewählt als die Spannung U₅ für den kleinsten Eingangsstrom I_E, läßt sich für den minimalen Eingangsstrom I_E auch eine negative Ausgangs spannung U_A erzielen. Für den Maximalwert der Ausgangs spannung U_A ist der stromunabhängige Spannungsabfall U₄ im Spannungsreferenzzweig 4 entscheidend.Between the voltage nodes 8 , 9 , the output voltage U _{A of} the current / voltage converter 1 can decrease. This output voltage is the potential difference between the two voltage nodes 8 , 9 . The potential of the voltage node 8 is increased compared to the potential of the negative feed node 7 by the current-independent voltage drop U ₃ . The potential of the voltage node 9 is increased compared to the potential of the negative feed node 7 by the voltage U ₅ , which depends on the current I ₂ . The minimum value of the output voltage U _{A can be} influenced by suitable dimensioning of the voltage U ₃ and the resistors R1, R2. If, for example, the voltage U ₅ corresponds exactly to the voltage U ₃ for the case of the minimum input current I _E of 4 mA, the output voltage U _A is zero for the case of the minimum input current. If the voltage U ₃ is chosen greater than the voltage U ₅ for the smallest input current I _E , a negative output voltage U _A can also be achieved for the minimum input current I _E. The current-independent voltage drop U ₄ in the voltage reference branch 4 is decisive for the maximum value of the output voltage U _A.

Wenn man die Werte der Widerstände R1 und R2 so wählt, daß eine Parallelschaltung der beiden Widerstandszweige 2, 5 einen Widerstandswert aufweist, der dem Quotienten aus dem gewünschten Ausgangsspannungsbereich, z. B. 10 V bei einer Dead-zero-Ausgangsspannung im Bereich von 0 bis 10 V, und dem vorgegebenen Strombereich, z. B. 16 mA bei den Live-zero-Strömen zwischen 4 und 20 mA ent spricht, läßt sich mit einfachen Mitteln eine Wandlung der Stromsignale in einen vorbestimmten Spannungsbe reich durchführen.If one chooses the values of the resistors R1 and R2 so that a parallel connection of the two resistance branches 2 , 5 has a resistance value which corresponds to the quotient from the desired output voltage range, e.g. B. 10 V at a dead zero output voltage in the range of 0 to 10 V, and the predetermined current range, for. B. 16 mA speaks ent in the live zero currents between 4 and 20 mA, can be easily performed with a simple conversion of the current signals into a predetermined voltage range.

Wählt man beispielsweise U₃ und U₄ zu 2,5 V und die Wi derstände R1, R2 zu 1,25 Kiloohm, ergibt sich für einen Eingangsstrom I_E mit dem Minimalwert von 4 mA eine Spannung U₅ von 2,5 V. Die Ausgangsspannung U_A ist dann 0 V. Erreicht der Eingangsstrom I_E seinen Maximalwert von 20 mA, fallen über R2 12,5 V ab, nämlich das Pro dukt aus 1,25 Kiloohm und 10 mA. Da U₃ unverändert 2,5 V beträgt, ist die Potentialdifferenz zwischen den bei den Spannungspunkten 8, 9, d. h. die Ausgangsspannung U_A 10 V. Der Eingangsstrom von 4 mA I_E 20 mA wird hier in eine Ausgangsspannung von 0 V U_A 10 V gewandelt. Durch Variieren der Spannungsabfälle U₃, U₄ und der Wi derstandswerte R1, R2 lassen sich somit fast beliebige Verschiebungen und Spreizungen des Bereichs der Aus gangsspannung U_A erreichen.For example, if you choose U ₃ and U ₄ to 2.5 V and the resistances R1, R2 to 1.25 kiloohms, an input current I _E with the minimum value of 4 mA results in a voltage U ₅ of 2.5 V. The output voltage U _A is then 0 V. When the input current I _{E reaches} its maximum value of 20 mA, 12.5 V drop over R2, namely the product of 1.25 kilohms and 10 mA. Since U ₃ remains unchanged at 2.5 V, the potential difference between those at voltage points 8 , 9 , ie the output voltage U _A 10 V. The input current of 4 mA I _E 20 mA is converted into an output voltage of 0 VU _A 10 V. changed. By varying the voltage drops U ₃ , U ₄ and the resistance values R1, R2, almost any displacements and spreads of the range of the output voltage U _A can be achieved.

Claims

1. Auxiliary energy-free converter for live zero current signals in measuring voltages whose measuring range start is shifted relative to the live zero signal, in particular in dead zero voltages, with a bridge circuit, the two diagonally opposite supply nodes at which the converting current is introduced or discharged, and has two diagonally opposite voltage nodes, between which an output voltage can be removed as a measurement voltage, characterized in that two diagonally opposite branches ( 3 , 4 ) as voltage reference branches with voltage reference elements ( 10 , 11 ) current-independent predetermined voltage drop are formed and the two other branches ( 2 , 5 ) as resistance branches have components (R1, R2) with current-dependent voltage drop, on the one hand via the feed-in nodes ( 6 , 7 ) and on the other hand via the voltage nodes ( 8 , 9 ) are connected to the voltage reference branches ( 3 , 4 ), the ohmic wid a parallel connection of the two resistance branches ( 2 , 5 ) corresponds to the quotient of the desired change in the output voltage (U _A ) and the difference between the maximum current and the minimum current of the live zero current signals.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the voltage drop in at least one of the voltage reference branches ( 3 , 4 ) by wiring the voltage reference element ( 10 , 11 ) with an opposing pair (R3, R4; R5, R6) is adjustable.

3. Converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the voltage drop (U ₃ , U ₄ ) in each voltage reference branch ( 3 , 4 ) is the same size as the voltage drop (U ₅ , U ₂ ) in the same feed node ( 7 , 6 ) connected resistor branch ( 5 , 2 ) at minimum current.