DE1791050C3 - Meßumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Aus der Veröffentlichung »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Band 7, Nr. 12, Mai 1965, Seiten 1225/1226, ist ein derartiger Meßumformer bekannt, bei dem nur die Meßbrücke durch einen Konstantstrom gespeist ist, die übrige Schaltung jedoch nicht. Das hat zur Folge, daß hinsichtlich des veränderlichen Stromes nicht zwischen dem durch den Verstärker und dem durch den gesteuerten Querwiderstand fließenden Strom unterschieden werden kann. Für die Genauigkeit des Meßumformers ist es jedoch von größter Bedeutung, daß der in den Meßumformer fließende Strom alleine durch den von der Meßgröße gesteuerten Querwiderstand bestimmt wird. Ausgehend von diesem bekannten Meßumformer zielt daher die vorliegende Erfindung auf eine Verbesserung der Stabilität und Genauigkeit des Meßumformers. Insbesondere soll erreicht werden, daß Stromänderungen auf der zweiadrigen Verbindungsleitung allein durch Änderungen de: Meßgröße hervorgerufen werden und nicht etwa durch die Arbeitsweise des Meßumformers beeinflussende Temperaturänderungen oder Alterungserscheinungen der Bauteile verursacht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Der neue Meßumformer zeichnet sich durch eine äußerst stabile Betriebsweise vwie durch geringe Eigenstromaufnahme und kompakte Bauweise aus, so daß er vielfach ohne zusätzliches Gehäuse unmittelbar an dem ihn steuernden Meßfühler, beispielssveise im Schutzrohr eines The/moclementfühlers, untergebracht werden kann.

Die Verwendung je einer Konstantstromquelle sowohl für den Meßkreis als auch für den Verstärker bringt es mit sich, daß mit Vorteil die Konstantströme den Anforderungen des Meßkreises und des Verstärkers entsprechend getrennt und unterschied lieh eingestellt werden können. Sind diese Konstant ströme einmal eingestellt, so ist jede Stromänderung alleinc auf eine Veränderung der Meßgröße zurückzuführen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Untcransprüchen.

Die Speisung von Verstäfkern mit einem Konstantstrom ist für sich genommen aus der FR-PS 14 86 332 sowie aus den Veröffentlichungen »Transistor Circuit Design«, Seite 522, erschienen am 26. 8. 1963 bei McGraw—Hill Book Company, Inc. und »Pulse and Digital Circuits«, Seite 433, erschienen 1956 im gleichen Verlag, bekannt. Die Veröffentlichungen betreffen Differenzverstärkerstufen, die über Konstanlstromquellen mit einem eingeprägten Strom gespeist werden, wobei im Falle der FR-PS

der Differenzverstärker von einer Meßbrücke angesteuert wird, die ihrerseits jedoch von keinem Konstantstrom durchflossen wird.

Schließlich ist es aus der Veröffentlichung »Field Effect Transistors«, Seiten 64 bis 76, erschienen 1965 bei McGraw—Hill Book Company, Inc., bekannt, Konstantstromquellen in der Weise aufzubauen, daß ein Widerstand mit der Hauptelektrodenstrecke eines Feldeffekttransistors in Reihe geschaltet und die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors mit einem dem Widerstand und der übrigen Schaltung gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden wird.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf in den Zeichnungen wiedergegebene Ausführungsbeispiele Bezug genommen. Dabei zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines Meßumformers, der mit einem in mehr oder weniger großer Entfernung angeordneten Auswertegerät über eine zweiadrige Verbindungsleitung verbunden ist und als Meßfühler ein Thermoelement aufweist,

F i g. 2 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßumformers, wobei der Steuersignalgenerator zwei Schaltungsteile aufweist, welche getrennt jeweils über eine Konstantstromquelle an die eine Ader der zweiadrigen Verbindungsleitung angeschlossen sind,

Fig. 3 die Ansicht eines ein Thermoelement aufnehmenden Schutzrohres, an dem der Meßumformer gemäß F i g. 2 befestigt ist,

F i g. 4 eine abgewandelte Ausführungsform des Meßkreises des Signalgenerators, bei dem anstelle einiger fest vorgegebener Bauteile in ihren Werten veränderbare Bauteile eingesetzt sind,

F i g. 5 eine andere Ausführungsform des Meßkreises im Meßumformer gemäß F i g. 2, wobei als Fühler ein Widerstandsthermometer dient, und

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform des Meßkreises untT Verwendung von Dehnungsmeßstreifen.

Bei dem in F i g. 1 schematisch dargestellten Blockschaltbild einer Meßanordnung mit Zweidraht-Meßumformer ist an den Eingang des Meßumformers 4 ein Thermoelement 2 angeschlossen. Die Ausgänge des Meßumformers sind über die Leitungen 6 und 8 mit einer entfernt liegenden GeräK einheit 10 verbunden, wobei die Leitungen teilweise gestrichelt dargestellt sind, um anzuzeigen, daß die Entfernung zwischen Geräteeinheit 10 und Meßumformer 4 groß sein und mehrere KiIc.meter betragen kann. In der Gerateeinheit 10 können ein od:r mehrere, durch die Signale des Meßgebers gesteuerte Instrumente eingebaut sein, wie beispielsweise Anzeige-, Registrieroder Steuergeräte. Diese Geräte werden in F i g. 1 summarisch als Auswertegerät 12 bezeichnet. In der entfernt liegenden Geräteeinheit befindet sich weiterhin eine Energiequelle 14. die durch eine Batterie angedeutet ist.

Wie weiter unten noch genauer beschrieben wird, ist der Ausgangskreis des Meßumformers 4 mit einer steuerbaren Widerstandsanordnung Versehen, durch die der von der Energiequelle 14 ausgehende und über die Leitungen 6, 8 und den Meßumformer 4 in das Auswertegerät 12 gelangende Strom gesteuert wird. Die steuerbare Widerstandsanordnung wird von einem Steuersignalgeneralor angesteuert, an dessen Eingang das Thermoeliment 2 liegt. Die Signalspannting des Thermoelementes beträgt nur wenige mV und wird im Signalgencrator des Meßumformers 4 Verstärkt. Die Energie pfeile 14 stellt nicht nur den vom Ausgang des Meßumformers 4 gesteuerten Strom zur Verfugung, sondern dient auch gleichzeitig zur Energieversorgung der die Steuerung des Stromes bewirkenden Ί eile des Meßgebers. Auf diese Weise wird durch die den Meßumformer 4 mit der entfernt liegenden Geräteeinheit 10 verbindenden Leitungen 6 und 8 sowohl das zur Steuerung des Auswertegerätes 12 notwendige Signal als auch der Versorgungsstrom für den Meßumformer 4 übertragen.

In F i g. 2 ist eine bevorzugte Schaltung des Meßumformers 4 dargestellt. Die Leitung 6 ist mit der Senkenelektrode eines ersten Feldeffekttransistors 16 verbunden, dessen Quellelektrode über einen veränderbaren Widerstand 18 und eine Temperaturkompensationsdiode 20 an einen Verbindungspunkt 22 angeschlossen ist. Die Gatterelektrode des Transistors 16 steht über den Verbin^ngspunkt 22 und die Diode 20 mit dem nicht mit .iem Transistor 16 verbundenen Ende des Widerstandes 18 in Verbindung. Der in dieser Art geschaltete Transistor 16 bildet ein sehr stabiles Konstant-Stromelemeni. Zwischen dem Verbindungspunkt 22 und einer eine Bezugssf>dnnung führenden Leitung 24 liegt eine Zenerdiode 26, die zusammen mit dem Widerstand 28 ein Konstant-Spannungselement bildet. Der zur Eichung des Konstant-Spannungselementes dienende Widerstand 28 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 22 und der Klemme 30. An die Klemme 30 und die mit der Bezugsspannungsleitung 24 verbundene Klemme 34 ist ein Meßkreis 32 angeschlossen. Der Meßkreis 32 ist eine Widerstandsbrücke. In seiner in Fig. 2 dargestellten Form ^:st er speziell für die Verwendung eines Thermoelementes als Meßfühler zugeschnitten und enthält daher eine sehr gut kompensierte Vergleichsstelle, die oft auch als kalte Verbindung bezeichnet wird. Die Widerstandsbrücke enthält einen an die Klemme 30 angeschlossenen Widerstand 36, de - den ersten Brückenzweig bildet. An die Klemme 30 ist weiterhin der zweite Briickenzweig angeschlossen, der aus dem Widerstand 38 besteh*.. Der zwischen dem Widerstand 36 und der Klemme 34 liegende dritte Brückenzweig enthält einen Widerstand 40 und das Thermoelement 2. Um die Kompensation des Thermoelementes zu verbessern, ist der zwischen dem Widerstand 38 und der Klemme 34 befindliche vierte Brückenzweig ein aus mehreren Widerständen zusammengesetztes Netzwerk. Dieses Widerstandsnetzwerk weist einen ersten, direkt zwischen dem Widerstand 38 und der Klemme 34 liegenden temperaturabhängigen Widerstand 42, einen zwischen der Brückenausgangsklemme 46 und dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände 38 und 42 befindlichen Widerstand 44 und eine mit der Brückenausgangsklemme 46 und der Klemme 34 verbundene, aus mehreren Widerständen bestehende Serienschaltung auf. Diese Serien ,chaltung besteht aus einem temperaturabhärgigen Widerstand 48, einem Widerstand 50, einem weiteren temperaturabhängigen Widerstand 52 und einem Widerstand 54. Der Verbindungspünkt der beiden Widerstände 36 und 40 ist direkt zu der zweiten Brückenausgangsklemme 56 geführ)

Jede der beiden Brückenausgangsklemmen 46 und 56 ist mit jeweils einer der beiden symmetrisch zueinander liegenden, leitenden Elektroden eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gatter 58 verbunden. Das Gehäuse des Transistors 58 ist an die Bezugs-

Spannungsleitung 24 angeschlossen. Das Gatter des Transistors 58 ist über einen Widerstand 62 zur Ausgangsklemme eines Multivibrators 60 geführt. Der Multivibrator 60 weistj wie üblich, zwei Transistoren auf und schwingt mit irgendeiner geeigneten Frequenz, beispielsweise 200 Hz. Eifi eine geeignete Vorspannung erzeugender Widerstand 64 liegt zwischen dem Gatter des Transistors 58 und der Bezügsspaiinungsleitung 24. Der auf diese Weise geschaltete Transistor 58 dient einmal als Signalzerhacker und zum anderen als eine differenzbildende Eingangiistufe, durch die die Differenz zwischen den an den Klemmen 46 und 56 liegenden Potentialen auf einen Wcchselstromverstärker gegeben wird.

Die mit der Brückenklemme 56 verbundene Elektrode des Transistors 58 ist über einen Koppelkon-H 66 sin Hip Ras!« rlcs Transistor« fSR anoe-

schlossen. Der Transistor 68 bildet die erste Stufe eines vierstufigen Transistorverstärkers. Der Emitter des Transistors 68 ist zu der Bezugsspannungsleitung 24 geführt. Der Kollektor des Transistors 68 ist über einen Lastwiderstand 70 mit einer noch zu beschreibenden Energicversorgungsschaltung verbunden. Der Kollektor des Transistors 68 ist darüber hinaus noch mit der Basis des die zweite Stufe des Transistorverstärkers bildenden Transistors 72 verbunden. Der Emitter dieses Transistors ist in gleicher Weise an die Bezugsspannungsleitung 24 angeschlossen, während sein Kollektor über einen Lastwiderstand 74 an der bereits erwähnten Energieversorgungsschaltung liegt. Der Kollektor des Transistors 72 ist außerdem zu der Basis des die dritte Stufe bildenden Transistors 7<> geführt. Der Emitter dieses Transistors 76 liegt wiederum an der Bezugsspannungsleitung 24, während sein Kollektor mit der Basis des die vierte Stufe des Verstärkers bildenden Transistors 80 und über einen Lastwiderstand 78 mit einer Energieversorgungsleitung 98 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 80 ist über einen Emitterfolgcviderstand 82 an die Bezugsspannungsleitung 24 angeschlossen, während sein Kollektor über den Lastwiderstand 84 zu der Energieversorgungsleitung 98 geführt ist.

Die vierte Stufe des Wechselstromverstärkers ist mittels der Leitung 86 auf die erste Stufe rückgekoppelt, wobei durch diese Leitung der Emitter des Transistors 80 an ein zur Erzeugung einer Vorspannung dienendes und mit dem Transistor 68 in Verbindung stehendes Netzwerk angeschlossen ist. Zu diesem Netzwerk gehören die beiden in Serie geschalteten Widerstände 88 und 90, wobei diese Serienschaltung zwischen der Basis des Transistors 68 und der Bezugsspannungsleitung 24 liegt. Parallel zum Wiiierstand 90 liegt der Bypaß-Kondensator 92. Die Rückkopplungsleitung 86 ist über einen Widerstand 87 an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände 88 und 90 geführt.

Die bereits erwähnte Energieversorgungsschaltung für den vierstufigen Verstärker weist ein zweites Konstant-Stromelement auf, welches dem bereits beschriebenen und den Feldeffekttransistor 16 aufweisenden i;m wesentlichen gleich ist.

Das zweite Konstant-Stromelement ist mit einem Feldeffekttransistor 94 versehen, dessen Senkenelektrode an die Leitung 6 angeschlossen ist. Die Queilelektrode des Transistors 94 ist über einen einstellbaren Widerstand 96 mit der Energieversorgungsleitung 98 verbunden. Die zu einem zweiten Konstant-Spannungselement gehörende Zenerdiode 100 liegt zsvischen der Leitung 98 und der Bezugsspannungsleitung 24, so daß die Spannung zwischen diesen beiden Leitungen konstant ist. Zur Trennung zwischen den vorderen und hinteren Verstärkerstufen₍ die bei Verstärkern mit hohem Verstärkungs* grad notsvendig ist, um schädliche Beeinflussung der Stufen untereinander sowie Unerwünschte Schwingungen zu verhindern, ist eine dynamisch arbeitende Trennstufe 102 vorgesehen die durch einen Trano sistor gebildet ist, dessen Kollektor an der Energieversorgungsleitung 98 liegt und dessen Basis zum Verbindungspunkt des veränderbaren Widerstandes 18 mit der Temperaturkompensationsdiode 20 geführt ist. Der Emitter des Transistors 102 ist mit den beiden Lastwiderständen 70 und 74 verbunden, die mit ihren anderen Enden am Transistor 68 bzw. 72 Hegen. Auf diese Weise ist der Kollektor des Transistors 102 mit einem Punkt mit durch die Zenerdiode 100 konstant gehaltener Spannung verbunden, während seine Basis an einen Punkt mit durch die Zenerdiode 26 konstant gehaltener Spannung angeschlossen ist. Die von der Zenerdiode 100 erzwungene Spannung muß etwas größer sein als die von der Zenerdiode 26 erzwungene. So war in einem bcstimmten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen Schaltung die Spannung der Zenerdiode 100 etwa 8 V während die an der Zenerdiode 26 ungefähr 6,4 V betrug. Am Emitter des Transistors 102 erscheint die Basisspannung abzüglich des Basisemitterspannungsabfalles, wodurch die beiden Lastwiderstände 70 und 74 an einer konstanten Spannung liegen. Der Kollektor dieses Transistors, der seine Energie von der Energieversorgungsleitung 98 bezieht, ist für diese Leitung ein Konstant-Stromverbraucher. Auf diese Weise werden Störungen auf der Leitung 98 durch die dynamisch arbeitende Trennstufe 102 so stark hei abgesetzt, daß sie kaum Einfluß auf die vorderen Transistorstufen haben.

Das Ausgangssignal des Verstärkers gelangt über den mit dem Kollektor des Transistors 80 verbundenen Koppeikondensator 104 zu einer Demodulatorschaltung. Der Demodulator ist mit den beiden Feldeffekttransistoren 106 und 108 versehen, wobei die Hauptelektroden des Feldeffekttransistors 106 mit dem Koppeikondensator 104 bzw. einem Ausgangskreis und die Hauptelektroden des Feldeffekttransistors 108 mit dem Koppeikondensator 104 bzw. der Bezugsspannungsleitung 24 verbunden sind. Das Gatter des Transistors 106 ist über einen Widere And HO an eine Ausgangsklemme des Multivibrators 60 geführt, an die auch das Gatter des Transistors 58 angeschlossen ist. Das Gatter des Transistors 108 ist über einen Widerstand 112 mit der gegenüberliegenden Ausgangsklemme des Multivibrators 60 verbunden. Auf diese Weise werden die beiden Feldeffekttransistoren 106 und 108 abwechselnd durch das Ausgangssignal des Multivibrators 60 geöffnet und geschlossen. Die Steuerung der Transistoren 106 und 158 ist synchron und gleichphasig.
Der mit dem Transistor 106 verbundene Ausgangskreis weist einen zwischen der Ausgangselektrode des Transistors 106 und der Bezugsspannungsleitung 24 liegenden Glättungskondensator 114 auf. Die Ausgangseiektrode des Transistors 1Ö6 ist über zwei in Serie geschaltete Koppeldioden 115 mit der Basis des Transistors 116 verbunden. Der Transistor 116 bildet die erste Stufe einer Darlington-Schaltung, deren zweite Stufe durch den Transistor 118 darge-

7 8

stellt ist. Der Transistor 116 erhält von der Energie- stimmte Und gleichbleibende Sirommenge einzuversorgungsleitting 98 über einen Widerstand 120 stellen. Da dieses Koristant-Stromelement zur Enerseine Basisspannung. Der Kollektor des Transistors gieversörgung des Meßkreises dient« der sehr emp-116 ist zum Kollektor des Transistors 118 geführt findlich ist, wurde zur Temperaturkompensation eine und beide Kollektoren liegen an der Leitung 6. Der 5 Tempefaturkömpensationsdtode 2ti eingefügt, die die Emitfe*· ijes Transistors 116 ist an die'Basis des Tran- Leitfähigkeitsändefüngen des Transistors 16 beiTemsistorsltä angeschlossen, während der Emitter des peraiUrschwanküngen ausgleicht.
Transistors 118 über einen niederohmigen Wider- Die Zenerdiode: 26 zwischen dem Verbindungsstand 122 mit der BezugsspannungsleitUtfg 24 Ver- punkt 22 Und der Bezugsspannungsleitung nimmt den bunden ist. Über einen niederohmigen Präzisions- io Strom über den Transistor 16 auf und erzeugt zur widerstand 124 ist die Bezugsspannungsleitung 24 im Speisung des Meßkreises 32 eine höchstkonstante Verbindungspunkt 126 an die andere Leitung 8 an- Spannung. Als Zenerdiode kommt vorzugsweise ein geschlossen. Von diesem Verbindungspunk· 126 geht temperaturkompensierter, selbstregelnder Dindentyp eine Leitung 128 aus, die zu einem Widerstand 130 in Frage. Mittels des veränderbaren Widerstandes 28 lauft, der mit seinem anderen Ende am Verbindungs- 15 läßt sich sehr genau eine bestimmte Spannung zwipunkt der beiden Widerstände 50 und 52 des Meß- sehen den beiden Klemmen 30 und 34 einstellen, die kreises 32 liect. Durch diese Verbindung wird eine für den Meßkrpis gppignpt ist Bei einer erwünschten gleichstrommäßige Rückkopplung für den Meß- Spannung von genau 6 V zwischen den Klemmen 30 umformer 4 erzielt. und 34 kann die Spannung über der Zenerdiode 26

Während des Betriebes wird die elektrische Ener- 20 beispielsweise 6,4 V betragen.

gie auf den Leitungen 6 und 8 in mindestens zwei Wie bereits erwähnt, besteht der Meßkreis im we-

parallele Stromzweige aufgeteilt. In dem hier darge- sentlichen aus einer Widerstandsbrücke mit den stellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Klemmen 30 und 34 als Eingangsklemmen zur Ener-Meßgebers wird der eine der beiden Stromzweige, gieaufnahme und den Klemmen 46 und 56 als Auswie weiter unten näher beschrieben, nochmals in 25 gangsklemmen. Da der Meßfühler in einen der Wizwei parallele Strompfade geteilt, wobei der eine derstandszweige eingefügt ist, fließt auch ein Teil des durch den Meßkreis und der andere durch den Ver- Energiestromes durch diesen. Hierdurch wird eine stärker geht. Der andere der beiden Stromzweige ist automatische Alarmvorrichtung gebildet, die sofort mit eher der Steuerung des durch ihn fließenden anzeigt, daß der Meßfühler durchgebrannt oder kurz-Stromes dienenden, steuerbaren Widerstandsanord- 30 geschlossen ist. Die Widerstände 36, 38. 40, 42, 44, nung versehen. Die beiden, den einen Stromzweig 48, 50, 52 und 54 der Brücke sind derart dimensiobildenden Strompfade weisen jeweils ein Konstant- niert, daß bei den verschiedensten Anwendungsfällen Stromelement auf, welches dafür sorgt, daß der mögliche Störungen im Meßkreis unterdrückt wer-Strom durch den einen Stromzweig konstant ist. Die den. Die Widerstandswerte ergeben sich dabei aus Stromversorgung der aktiven Elemente des Meß- 35 der Brückentheorie. Die Abhängigkeit des Thermogebers erfolgt über diese Konstant-Stromelemente stromes von der Temperatur ist annähernd quadradie daher aus den beiden Leitungen 6 und 8 einen tisch und dementsprechend sollte auch die Kompenkonstanten Strom entnehmen. Dieser Versorgungs- sation an der auch kalte Verbindung genannten Verström ist so gewählt, daß er unter dem Mindeststrom gleichsstelle einen derartigen Verlauf haben. In dem des für das Auswerteeerät 12 vorgesehenen Strom- 4° hier gezeigten Ausführunesbeispiel wird diese quabereiches liegt. Wie bereits erwähnt, wurde bei einer dratische Abhängigkeit durch den temperaturabhänpraktischen Ausführungsform des Meßsystems der gigen Widerstand 42, den festen Widerstand 44, tem-Strombereich für den Betrieb des Auswertegerätes peraturabhängigen Widerstand 48 und den festen 12 festgelegt, wobei man den Bereich zwischen 4 Widerstand 50 erreicht. Die Widerstandswerte der und 20 mA gewählt hat. Demgemäß muß der vom 45 Widerstände 52 und 54 sind sehr viel kleiner als die ersten Stromzweig aufgenommene und der Versor- der Widerstände 48 und 50, so daß ihr Einfluß auf gung des Meßgebers dienende Strom kleiner als die Kompensation der Vergleichsstelle vernachlässig- |

4 mA sein. Der andere Stromzweig, der abhängig von bar ist. |

der Größe des Meßsignals gesteuert wird und der der Mittels des Widerstandes 13fr wird der Meßbereich |

einzig veränderbare Strompfad in dem Meßgeber ist, 5° des Meßkreises festgelegt. Da sich aber auch der bedingt die Stromänderung zwischen 4 und 20 mA Meßbereich mit der Temperatur ändern kann, sorgt in den Leitungen 6 und 8. Auf diese Weise wird der der temperaturabhängige Widerstand 52 zusammen Meßgeber von einer entfernt liegenden, in F i g. 1 mit dem festen Widerstand 54 für die Kompensation symbolisch durch eine Batterie angedeuteten Ener- temperaturbedingter Meßbereichsänderungen. Wie giequelle über die gleichen Leitungen 6 und 8 ge- 55 oben schon beschrieben, haben wegen ihres geringen speist, über die gleichzeitig auch noch die den ge- Widerstandswertes diese beiden Widerstände kaum roessenen Werten entsprechenden Stromsignale ge- Einfluß auf die Kompensation der Vergleichsstelle. leitet werden. Durch die neben dem Auswertegerät Der Meßfühler 2 befindet sich auf einer Brückenseite, 12 aufgestellte Energiequelle läßt sich theoretisch die als positive Brückenseite bezeichnet werden soll, auch gleichzeitig noch das Auswertegerät mit Energie ⁶° während die kompensierenden Bauteile alle auf der versorgen. anderen, der negativen Brückenseite liegen. In der

Der an die Leitung 6 angeschlossene Feldeffekt- hier gezeigten Anordnung ist die Impedanz zwischen transistor 16 bildet zusammen mit dem Widerstand dem Meßpunkt des Thermoelementes 2 und der Be-18 ein höchst wirksames Konstant-Stromelement. Der zugsspannungsleitung 24 sehr klein. Sie setzt sich veränderbare Widerstand 18 hat zwei Aufgaben, ein- ^S5 zusammen aus der Impedanz des Thermoelementes mal erhöht er den Serienwiderstand des Transistors selbst und dem Widerstand der Leitung 24, den man 16 und zweitens hilft er, durch die Gegenkopplung praktisch vernachlässigen kann. Das Vorhandensein zwischen Quellen- und Gatterelektrode eine be- einer Impedanz im Kreis des Bezugsspannungsdrah-

9 10

tes des Thermoelementes bei einigen der bekannten gebers ist die Art und Weise, in der der Verstärker Meßkreise führte zu erheblichen Schwierigkeiten we^ mit Energie versorgt wird. Bei Verstärkern mit großer gen der auftretenden Störsignale, die durch Erdüng Verstärkung muß die Stromversorgung der hinteren öder teilweise Erdung des Thermoelementes hervor- Verstärkerstufen von der der vorderen Verstärkergerufen wurden, Die dadurch bedingten Fehlströme s stufen getrennt werden, da sonst der Verstärker inerzeugten an der Impedanz in dem Bezugsspannungs- stabil wird. In dem hier beschriebenen, erfindungsdraht des Thermoelementes Störspannungssignale, gemäßen Ausführungsbeispiel wird der Verstärker die auf den Eingang des Verstärkers gelangten. In über ein Konstant^Stromelement gespeist, welches dem hier beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausfüh- durch den Feldeffekttransistor 94 und den veränderrungsbeispiel ist der einzige, nicht zu vernach- io baren Widerstand 96 gebildet ist und welches zwilässigende Widerstand in dem an den Bezugsspan- sehen der Leitung 6 und der Energieversorgungsleinungsdraht des Thermoelementes angeschlossenen tung 98 liegt. Zwischen der Energieversorgungsleitung Kreis der Rückkopplungswiderstand 124. Dieser Wi- 98 und der Bezugsspannungsleitung 24 ist ein Konderstand ist derart geschaltet, daß die an ihm erzeug- stant-Spannungselement eingefügt, das mit einer ten Störsignale mit einem Faktor abgeschwächt wer- i₅ selbstregelnden, temperaturkompensierten Zenerden. der gleich dem Verstärkungsfaktor des Verstär- diode 100 versehen ist. Der Aufbau des Konstanikers ist. Daher wird bei einer Verstärkung des Ver- Stromelementes, welches mit dem Konstant-Span- M stärkers von 1000 die Wirkung der Störsignale auf nungselement in Reihe zwischen der Leitung 6 und

-L· gedämpft. Um selbst diese Wirkung noch mög- ^der Bezugsspannungsleitung 24 liegt ist abgesehen

1000 er " " 2o von der Temperaturkompensationsdiode 20 gleich

liehst gering zu halten, wird das Thermoelement in dem des Konstant-Stromelementes und des mit ihm

seinem Schutzrohr derart befestigt, daß es sowohl in Reihe geschalteten Konstant-Spannungselementes,

vom Rohr als auch von irgendeinem anderen kurz- durch welche der Meßkreis 32 mit Strom versorgt

schließenden Kontakt elektrisch getrennt ist. Die bei wird. Es wurde bereits erwähnt, daß die Spannuna

anderen Meßgeräten notwendige Trennung zwischen 25 an der Zenerdiode 100 etwas größer sein soll als an

Eingangs- und Ausgangskreis zur Verhinderung von der Zenerdiode 26. Auf diese Weise erhält man eine

Κ durch die Erdung des Thermoelementes bedingten gleichbleibende Spannungsdifferenz zwischen der Störspannungen ist bei dem erfindungsgemäßen Meß- Energieversorgungsleitung 98 und der Bezugsspangeber weitgehend überflüssig. nungsleitung 24, die zur Energieversorgung der bei-Die Ausgangsklemme 56 des Meßkreises 32 ist an 30 den Stufen 76 und 80 des vierstufigen Transistorverdie positive Brückenseite angeschlossen. Die an dieser stärkers sowie des Multivibrators 60 notwendig ist.
Klemme gegenüber der Bezugsspannungsleitung 24 Der Transistor 102 bildet eine dynamisch arbeiliegende Spannung setzt sich zusammen aus der Aus- tende Trennstufe im Energieversorgungskreis zwigangsspannung des Thermoelementes und einem po- sehen der Energieversorgungsleitung 98 und den die sitiven Unterdrückungssignal. Die Ausgangsklemme ₃₅ beiden ersten Stufen des Verstärkers bildenden Tran-46 des Meßkreises 32 liegt auf der negativen sistoren 68 und 72. Da die konstante Spannung über Brückenseite, und die Spannung an dieser Klemme der Zenerdiode 100 am Kollektor und die konstante gegenüber der Bezugsspannungsleitung 24 entspricht Spannung über der Zenerdiode 26 an der Basis des der Summe aus der Kompensationsspannung der Transistors 102 liegt, ist die Kollektorspannung und Vergleichsstelle und einem negativen Untcrdrük- 40 der Kollektorstrom an diesem Transistor praktisch kungssignai. uie Klemmen 4ό und 50, an denen je- konstant. Aut diese Weise verhindert man, ohne die weils eine von der Spannung des Thermoelementes Verwendung eines /?C-NetzWerkes, daß durch die

abhängige Brückenteilspannung liegt, sind mit den beiden hinteren Stufen des Verstärkers verursachte

Hauptelektroden des Feldeffekttransistors mit iso- Spannungsschwankungen auf die beiden vorderen

liertem Gatter 58 verbunden. Durch das bereits be- 45 Stufen gelangen, wodurch der Verstärker instabil

schriebene, wechselweise Schalten des Transistors 58 würde.

entsteht ein Ausgangssignal, dessen Amplitude zwi- Das Ausgangssignal des Verstärkers wird über sehen dem Spannungswert an der Klemme 46 und _ci_nen Koppelkondensator 104 auf einen synchron dem Spannungswert an der Klemme 56 gegenüber arbeitenden Demodulator gegeben, der die beiden der Bczugsspannungsleitung 24 wechselt. Das Aus- 50 Feldeffekttransistoren 106 und 108 aufweist. Wie begangssignal setzt sich dementsprechend aus einer _reit_s erwähnt, werden die beiden Transistoren durch Gleichspannung und einer Rechteckspannung zusam- die vom Multivibrator 60 erzeugten Impulse synmen, deren Amplitude der Spannungsdifferenz zwi- _chron mit dem Transistor 58 abwechselnd durchge sehen den Klemmen 56 und 46 proportional ist. Die schaltet, wobei die Schaltimpulse des Transistors 106 Gleichspannung wird vom Koppel kondensator 66 ab- 55 _und des Transistors 58 gleichphasig sind. Durch die geblockt, über den nur die Rechteckspannung auf Demodulation wird am Kondensator 114 eine Spanden Eingang des vierstufigen Transistorverstärkers _nung erzeugt, die der Differenzspannung zwischen gelangt. den beiden Klemmen 46 und 56 proportional ist. | Der Transistorverstärker ist bezüglich der Signal- Diese als Steuersignal für den Ausgangskreis die- | verstärkung ein vierstufiger, direktgekoppelter Ge- 60 nende Spannung wird über die beiden Koppeldioden radeausverstärker. Die der Stabilität des Verstärkers 115 _auf den Eingang der Darlington-Schaltung gedienende Gleichstromrückkopplung geht von der geben, die die beiden Transistoren 116 und U 8 auf-Emitterfolgeschaltung_ des die letzte Stufe des Ver- weist. Das Steuersignal wirkt auf die Basis des Transtärkers bildenden iransistors 8ö aus, wobei die _sistorsll6 ein und verändert dessen Leitfähigkeit Energie mittels der Leitung 86 über den Widerstand 65 _und damit den Strom, der durch den Transistor 118 87 an den Eingang des die erste Stufe des Verstärkers fließt, wodurch wiederum der Strom in den beiden bildenden Transistors 68 zurückgekoppelt wird. Ein Leitungen 6 und 8 gesteuert wird. Es muß festgehalbezeichnendes Merkmal des erfindungsgemäßen Meß- ten werden, daß der durch den Widerstand 124 flie-

Il 12

ßende Gf-samtstrom sich zusammensetzt aus dem weit aber eine größere Anpassungsfähigkeit des Meß-

Strom, der durch den Transistor 118 fließt, und dem kreises wichtiger als seine kleinen Abmessungen ist,

konstanten Versorgungsstrom für den erfindungs- versieht man den Meßkreis mit Bauteilen, mit deren

gemäßen Meßgeber. Alle Änderungen des konstanten Hilfe sich der Meßbereich und die Störuruerdrückung

Versorgungsstromes infolge von Temperaturschwan- s verändern lassen. Die so erhaltenen Meßkfeise sehen

kungen werden automatisch kompensiert. ähnlich dem in F i g. 2 gezeigten Meßkreis 32 aus.

Durch die geringen Abmessungen, mit denen sich In F i g. 4 ist die Schaltung eines solchen einstellder erfindungsgemäße Meßumformer mit Hilfe der baren Meßkreises abgebildet. Bauteile, die den in integrierten oder halbintegrierten Schaltungstechnik Fig. 2 gezeigten entsprechen, erhalten die gleichen (sogenannte Hybridschaltung) darstellen läßt, kann io Bezugsziffern. Der in Fig. 4 gezeigte Meßkreis 152 der Meßkreis und der restliche Teil des erfindungs- wird über die Klemmen 3β und 34 von einer Kongemäßen Meßumformers in nächster Nähe zum Meß- stant-Spannungsquelle mit Energie versorgt. Der fühler 2 angebracht werden. Aufbau des Meßkreises 152 ist im wesentlichen

Eine mögliche Form der Befestigung ist in Fig. 3 gleich dem des Meßkreises 32. Er unterscheidet sich gezeigt. Das fhermoelement 2 sitzt wie üblich in 15 ^von diesem hauptsächlich durch die Verwendung einem Schutzrohr 132, dessen Inneres mit einem ge- eines Schleifdrahtwiderstandes 154 anstatt des festen eigneten elektrischen Isoliermaterial, beispielsweise Widerstandes 40 auf der positiven Brückenseite und gepreßtem Magnesiumoxyd, ausgefüllt ist. Das Iso- durch die Verwendung eines Schleifdrahtwiderstandes lalionsmate^al umgibt das Thermoelement und iso- 156 anstatt des festen Widerstandes 54. Der Schleiliert sowohl die beiden Thermodrähte voneinander 20 fer des Schleifdrahtwiderstandes 154 liegt an der als auch das Thermoelement gegenüber dem Schutz- Klemme 56. Durch die Betätigung dieses Schleifers rohr 132. Auf dem Schutzrohr sitzt wie üblich ein läßt sich die Größe der Störunterdrückung im weiten Kopf 136. in dem normalerweise nur ein Anschluß- Bereich ändern. Der Schleifer des Schleifdrahtwiderteil untergebracht ist, an das die Anschlüsse des Standes 156 liegt am Meßbereichwiderstand 130. Thermoelementes und die entsprechenden Zuleitun- as Durch die Betätigung des Schleifers entlang des gen geführt sind. Der Kopf wird üblicherweise durch Widerstandes 156 läßt sich der Meßbereich weiteine Kappe abgeschlossen. In dem in F i g. 3 gezeig- gehend ändern.

ten Aufbau ist aber zwischen der Kappe 138 und dem In F i g. 5 ist ein weiterer abgeänderter Meßkreis

■"kopf 136 ein Zwischenstück 140 eingefügt. Das eine 158 gezeigt, der ein Widerstandsthermometer 160 als

Ende des Zwischenstückes weist ein Innengewinde 30 Meßfühler aufweist. Der Meßkreis ist wiederum in

auf, mit dem das Zwischenstück auf den Kopf 136 Form einer Widerstandsbrücke aufgebaut, wobei der

aufgeschraubt ist. Das andere Ende des Zwischen- Meßfühler in einem der Widerstandszweige liegt. Das

Stückes bildet das Gehäuse 142, das den Meßgeber als Meßfühler ausgebildete Widerstandsthermometer

aufnimmt. Das Gehäuse 142 ist an seinem oberen 160 liegt zusammen mit dem Schleifdrahtwiderstand

Rand mit einen Innengewinde versehen, auf das die 35 162 auf der positiven Brückenseite. Der Schleifer des

Kappe 138 geschraubt ist. Zwischen den beiden En- Widerstandes 162 ist mit der Klemme 56 verbunden,

den des Zwischenstückes liegt ein dünner Hals, an Auf der negativen Brückenseite befinden sich ein

dem eine aus Rippen bestehende Kühlvorrichtung fester Widerstand 164 und ein Schleifdrahtwiderstand

146 befestigt ist. 166, wobei der Verbindungspunkt dieser beiden Wi-

Am Kopf 136 ist darüber hinaus noch ein Aus- 40 derstände an die Klemme 46 angeschlossen ist. Der

gangsrohr 148 festgeschraubt, durch welches die Lei- zum Schieüdrahrwiderstand ίάό gehörende Schieifer

tungen 6 und 8 vor der zu messenden Umgebung des ist mit dem Meßbereichwiderstand 168 ve-A'unden,

Thermoelementes geschützt werden. der dem in F i g. 2 und 4 gezeigten Meßbereichwider-

Das Zwischenstück 140 ist nicht zwingend notwen- stand 130 entspricht.

dig, da sich der Meßumformer 4 auch in den Kopf 45 Ähnlich dem in F i g. 4 gezeigten Meßkreis kann

136 einbauen läßt. Der Vorteil des Zwischenstückes durch die Betätigung der jeweils zu den Widerstän-

142 liegt im wesentlichen darin, daß die Temperatur den 162 und 166 gehörenden Schleifer die Störunter-

im Gehäuse 140 erheblich niedriger als im Kopf 136 drückung und der Meßbereich weitgehend verändert

ist. Unabhängig davon, wo nun der Meßgeber einge- werden.

baut wird, ist auf jeden Fall die lange und relativ 50 Der in Fig. 6 gezeigte Meßkreis 170 ist wiederum teure, kompensierte Leitung zwischen dem Thermo- in Form einer Widerstandsbrücke aufgebaut, die zuelement und dem aas Signal des Thermoelementes mindest in einem Zweig möglicherweise aber auch in aufnehmenden Wandler überflüssig. Es wurde bereits ihren vier Zweigen mit einem Dehnungsmeßstreifen erwähnt, daß der Meßumformer nicht notwendiger- versehen ist, so daß der Meßumformer als Druckweise ein Thermoelement als Meßfühler aufweisen 55 messer arbeitet. In der dargestellten Ausführungsmuß. Man kann vielmehr den Meßkreis als eine Bau- form werden die vier Zweige der Brücke durch die einheit 32 und den Rest des Gerätes als eins Bau- Widerstände 172, 174, 176 und 178 gebildet. Der einheit 150 betrachten. Die beiden Baueinheiten wer- Verbindungspunkt der beiden Widerstände 172 und den beispielsweise mit mehreren Schrauben 152 mit- 174 liegt an der Klemme 56, während der Verbineinander verbunden, die gleichzeitig auch die elektri- 60 dungspunkt der Widerstände 176 und 178 zu der sehe Verbindung zwischen den beiden Baueinheiten Klemme 46 geführt ist. In diesem Meßkreis können bilden können. entweder einer oder zwei oder für bestimmte Meß-

In Fig. 1 wurden die Bauteile der Baueinheit 32 zwecke auch alle vier Widerstände durch Dehnungsais nicht veränderbar dargestellt, so daß der Meß- meßstreifen ersetzt sein. Der Rückkoppiungswiderumformer einen festen Meßbereich und eine feste 65 stand 180, durch dessen Betätigung sich wiederum Störunterdrückung aufweist. Der Vorteil unveränder- der Meßbereich verändern läßt, kann bei der Verbarer Bauteile ist, daß sie in integrierter Bauwei?-? wendung von vier Widerstandsmeßstreifen direkt mit dargestellt werden können und sehr klein sind. So- der Klemme 46 verbunden sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Meßumformer mit einer a!s steuerbarer Widerstand geschalteten Transistorschaltung zur meßwertabhängigen Steuerung des Stromes in einer zweiadrigen Verbindungsleitung, der an ein auf Stromänderungen ansprechendes Auswertegerät und eine mit diesem in Reihe geschaltete Gleichstromquelle anschließbar ist und einen die Eingangsmeßgröße in ein Steuersignal für die Transistorschaltung umwandelnden Steuersignalgenerator aufweist, der einen Meßkreis und einen nachgeschalteten, auf die Transistorschaltung einwirkenden Verstärker umfaßt, wobei der Meßkreis durch eine Konstantstromquelle gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der alleinigen Abhängigkeit des veränderlichen Stromes vom Meßwert der Verstärker (68—80, \ϊ>6, 108) durch eine weitere Konstantstromquelle (94, 96) gespeist ist, daß die in an lieh bekannter Weise aus der Reihenschaltung je eines Widerstandes (18; 96) mit der jeweiligen Hauptelektrode je eines Feldeffekttransistors (16; 94) bestehenden Konstantstromquellen mit den Steuerelektroden der jeweirigen Feldeffekttransistoren (16; 94) an je einen Verbindungspunkt (22; 98) zwischen den Widerständen (18; 96) und dem Meßkreis (32) bzw. dem Verstärker (68— 80, 106, 1P8) angeschlossen sind, wobei der von den Konstantstromquellen gelieferte Strom kleiner als der minimaie meß./ertabhängige Strom kt, und daß mit jeder Jer beiden Konstantstromquellen (16, 94; 18, 96) je ein Konstantspannungselement (26; 100) in Reihe geschaltet und der Meßkreis (32) an das erste Konstantspannungselement (26) und der Verstärker (68— 80, 106, 108) an das zweite Konstantspannungselement (100) angeschlossen ist.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, bei dem der Verstärker mehrere Stufen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen Stufen (68, 72) des Verstärkers (68—80, 106, 108) über die Kcillektor-Emitter-Strecke eines als dynamische Trennstufe dienenden Transistors (102) und die nachfolgenden Stufen (76, 80) unmittelbar an den Verbindungspunkt (98) des zweiten Konstantspannungselemcnts (100) mit der zugehörigen zweiten Konstantstromquellc (94, 96) angeschlossen sind.

3. Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (102) der dynamischen Trennstufe an einen Schaltungspunkt zwischen der ersten Konstantitromquellc (16, 18) und dem ersten Konstantspannungselement (26) angeschlossen ist.

4. Meßumformer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuersignalgencrator ein zwischen Meßkreis (32) und Verstärker (68—80) eingeschalteter Modulator sowie ein zwischen Verstärker und Transistorschallung (116,118) eingeschalteter Demodulator (106, 108) ebenfalls an das zweite Konstantspannungselcment (100) angeschlossen sind.

5. Meßumformer nach einem der Ansprüche ?. bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Koristantslromqüelle (16, 18) und das erste Konstarttspannungselement (26) eine Temperatur* kompensationsdiode (20) eingeschaltet und die

55 Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors (16) an den Verbindungspunkt (22) von Diode (20) und Konstantspannungselement (26) angeschlossen ist

6. Meßumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine wenigstens einen Meßfühler (2; 160; 172—178) aufweisende Brückenschaltung (32; 152; 158; 170) über einen einstellbaren Widerstand (28) an die erste Konstantstromquelle (16, 18) angeschlossen ist.