DE2038027B2 - Widerstand/strom-messumformer - Google Patents
Widerstand/strom-messumformerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Widerstand/Strom-Meßumformer, bestehend aus einem die Prozeßgröße
überwachenden Widerstandsferngeber oder Widerstand und einem von diesem gesteuerten Gleichstromverstärker
sowie einer von der Impedanz des Gleichstromverstärkers abhängigen, die Meßgröße anzeigenden
Last, die in die eine Zuleitung von der Stromquelle zum Meßumformer eingeschaltet ist.
Es sind jedoch auch andere von Prozessen gesteuerte Widerstände möglich. Meßumformer und Meßanordnungen
nach der Erfindung werden insbesondere dann mit Vorteil gegenüber bekannten Meßumformern
dieser Art eingesetzt, wenn am Meßort kein Speisestrom zur Verfügung steht, und wenn zur Übertragung
von Meßstrom und Speisestrom nur ein Aderpaar oder auch eine Ader genügen muß.
Dabei kann die Anordnung des Meßumformers so gewählt werden, daß entweder die Summe von
Meßstrom und Speisestrom die Meßinstrumente durchfließt, wobei sich z. B. ein Strombereich von 4... 20 mA
(lebender Nullpunkt oder Live-Zero) erzielen läßt, oder daß nur der eigentliche Meßstrom — z. B. 0... 20 mA —
die Meßinstrumente durchfließt
Aus der DAS 18 05 918 geht ein Widerstand/Strom-Meßumformer hervor, bei dem die Meßinstrumente in
eine von zwei Verbindungsleitungen zwischen dem Meßumformer und der Speisestromquelle eingeschaltet
sind. Als Geber für diesen Meßumformer dient ein Widerstandsthermometer, insbeondere ein Platinwiderstandsthermometer.
Dieses Widerstandsthermometer ist mit drei weiteren Widerständen zusammen in eine
Brücke geschaltet und an eine im Meßumformer erzeugte, konstante Spannung gelegt. Bei diesem
Meßumformer kann z. B. der Strombereich 4... 20 mA normalerweise nicht erreicht werden, weil die Summe
der festen Ströme in den Brückenzweigen und in der Spannungsstabilisierenden Diode größer ist als 4 mA.
Ferner ist die Anordnung nicht zur Speisung eines Widerstandsferngebers geeignet; es würden sich vielmehr
die bekannten Nachteile der Verfälschung der Messung infolge des Übergangswiderstandes zwischen
Schleifer und Wicklung ergeben. Es ist bei dem Meßumformer nach der DAS 18 05918 auch nicht
möglich, für irgendeine Temperaturbezugsgröße den Meßstrom Null zu erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die eben erwähnten Nachteile zu vermeiden.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus dem Gleichstomverstärker und
dem Widerstand 3b die aus dem Konstantstrom-Zweipol und dem Widerstand 3a bestehende Reihenschaltung
parallel geschähet ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichungen F i g. 1
bis 5 erläutert
F i g. 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung. Aus der Gleichstromquelle wird einem Konstantstrom-Zweipol
1 der Strom /ι und einem Gleichstromverstärker 2 der Strom /2 gemeinsam J\ +/2 über das Meßinstrument 5a
oder 5b und die Verbindungsleitungen a und b zugeführt Der Konstantstrom-Zweipol 1 arbeitet als
gesteuerte Impedanz in der Weise, daß der ihn durchfließende Strom J\ unabhängig von der Spannung
an seinen Klemmen — innerhalb der zulässigen Extremwerte — stets von gleicher Größe ist, und dient
zur Speisung des durch die Prozeßgröße veränderbaren Widerstandes 3a. 3a kann z. B. der veränderbare Zweig
12-11 eines Widerstandsferngebers sein. Über 3a baut sich eine Spannung auf von der Größe /1 -R(3a) (gegen
0). Diese Spannung wird über den Widerstand 3b als Steuerspannung an die Eingangsklemme E des Gleichstromverstärkers
2 gelegt. 2 arbeitet als unsymmetrischer Kompensationsverstärker mit direkt gekoppelten
Verstärkerstufen, und wirkt ebenfalls als gesteuerte Impedanz, die, unabhängig von der zwischen A und 0
herrschenden Spannung — innerhalb der zulässigen Extremwerte — einen nur von der Spannung ff gegen 0
abhängigen, dieser Spannung [= J1 ■ (3a)] proportionalen
Strom J2 durchläßt. Über die Instrumente 5a und Sb
und die Verbindungsleitungen a und b fließt demnach der Strom /1+/2, der die Summe aus dem konstanten
Anteil ]\ und dem der Prozeßgröße bzw. 3a proportionalen Strom /2 ist.
Bei entsprechender Dimensionierunp kann z. B. der
Strom Ji zu 4 mA und der Strombereich /2 für den
Widerstandsbereich 3a zu 0... 16 mA gewählt werden,
so daß der Gesamtstrombereich Ji+J2 4... 2OmA
beträgt. Es ergibt sich die bekannte Anzeige mit »lebendem Nullpunkt«.
In vielen Fällen muß jedoch der Strom /2 allein gemessen werden, z.B. wenn er über einen Gleichstromzähler
integriert w erden soll.
Das ist mit der prinzipiellen Anordnung nach F i g. 2 möglich. Hierbei wird aus der Gleichstromquelle 4 über
einen Konstantstrom-Zweipol 6 ein Strom von gleicher Größe wie der von dem Konstantstrom-Zweipol 1
benötigte Strom }\ über die Verbindungsleitung a in 1 eingespeist. Der Gleichstromverstärker 2 bezieht seinen
Strom /2 über die Reihenschaltung: Zenerdiode 8 —
Instrument Tb — Gleichstromzähler 7a ebenfalls über die Verbindungsleitung a. Die Summe der beiden
Ströme J\-\-Ji fließt über die Verbindungsleitung b
zurück in die Stromquelle 4. Die Zenerdiode 8 dient dazu, eine Potentialdifferenz zwischen Pluspol der
Stromquelle 4 und dem Punkt y bzw. χ zu erzeugen von solcher Größe, daß das einwandfreie Arbeiten des
Konstantstrom-Zweipols 6 stets gewährleistet ist. Der durch den Widerstand a und die Zenerdiode 8 fließende
Vorstrom ist meßtechnisch ohne Einfluß.
In dem zwischen den Punkten χ und y eingeschlossenen
Zweig mit dem Gleichstromzähler 7a und dem Instrument Tb fließt jetzt nur der dem Widerstand 3a
bzw. der Prozeßgröße proportionale Strom /2.
Für Überwachungfaufgaben kann ferner ein weiteres
Instrument zwischen dem Punkt *und der Verbindungsleitung
a angeordnet werden Tc, wo der Summenstrom /1-1-/2 auftritt. Es ist klar und bedarf keiner eigenen
Darstellung, daß Zenerdiode 8 und Widerstand 9 entfallen können, wenn man den Punkt y mit einer
entsprechenden Anzapfung der Stromquelle 4 verbindet.
Ferner ist es möglich, die Ströme in den Konstantstrom-Zweipolen 1 und 6 ungleich groß zu machen.
Macht man den Strom von 6 kleiner als den von 1, so erhält man einen Strom /2 in den Instrumenten 7a und Tb
schon bei einem Widerstand 3a und 0 Ohm.
Macht man den Strom von 6 größer als den von 1, so erhält man für einen Widerstand 3a von 0 Ohm einen
negativen Strom /2 und erst ab einer bestimmten Größe
von 3a positive Ströme /2. Anders ausgedrückt kann man den Strom /2 zu 0 machen, auch wenn 3a bereits
einen Anfangswert bei der Prozeßgröße 0 hat, oder man kann beliebige Anhebungen und Unterdrückungen von
/2 in Abhängigkeit von 3a bzw. der Prozeßgröße vornehmen. Wenn bei unterdrücktem Nullpunkt der auf
den Strom /2=0 bezogene Widerstand 3a kleinere
Werte annehmen kann, so wird der Strom /2, bezogen auf die Inntrumente 7a und Tb, negativ. Sollen nur
positive Ströme /2 von den Instrumenten angezeigt werden, so können die negativen Ströme mittels der
Diode Td, die an einer beliebigen Stelle im Strompfad χ—y eingeschaltet werden kann, von den Instrumenten
ferngehalten werden.
Ein spezielles meßtechnisches Problem liegt vor in
der Forderung, mittels Widerstand/Strom-Meßumformer eine Beziehung zwischen Widerstand R und Strom
/,„ herzustellen von der Form
(U
d. h. der die Meßinstrumente durchfließende Strom /„,
soll bei kleinen Werten von R groß und bei großen Werten von R klein sein, und insbesondere soll der
Strom /„, beim Widerstand 0 seinen Höchstwert und beim Höchstwert des Widerstandes den Wert 0
annehmen usw., womit er dem steuernden Widerstand umgekehrt proportional ist.
Diese Forderung wird z. B. dann gestellt, wenn die in einen Strom umzusetzende primäre Meßgröße M\ nur
über eine Hilfsgröße M2 gemessen werden kann, über
die die Einstellung des Widerstandsferngebers vorgenommen wird. Ist die Beziehung zwischen erster und
zweiter Meßgröße von der Form
M2 = M1
M1 Ν"
MlmJ
MlmJ
(2)
wobei η zwischen 0,5 und 1 liegen kann, so ist es durch
einfache äußere Beschallung eines normalen, linearen Widerstandsferngebers mit Festwiderständen fast immer
möglich, einen sehr genau der Beziehung
folgenden Verlauf des Gesamtwiderstandes dieses Netzwerks zu erzeugen.
Setzt man 2 in 1 ein, so erhält man
Setzt man 2 in 1 ein, so erhält man
M-
oder gekürzt:
(4)
'" 2n" 2 Λ (3cmJ - J*"""
(3 c)
Das ist der gleiche Strom wie in (1) gefordert, und die Bedingung der Gleichung (1) ist erfüllt.
Es ist auch möglich, den Strom im Konstantstrom-Zweipol 10 so zu wählen, daß der Strom hmax—h den
gewünschten Endwert erreicht bei einem Widerstand 3c größer als 0 Ohm, oder daß hmax—h schon zu 0 wird,
bevor der maximale Widerstand 3c erreicht wird, analog dem schon in der Beschreibung zu F i g, 2 Erläuterten.
Unter der Berücksichtigung dieser Tatsache ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung möglich,
die Temperatur mittels sogenannter Diodenthermometer zu messen und in einen der Temperatur proportionalen
Strom umzuformen, wobei beliebige Beziehungen zwischen Anfangstemperatur, Temperaturbereich und
Meßstrom /2 hergestellt werden können. Ein solches Diodenthermometer ist als Widerstand 3d in Fig.3
dargestellt.
Bei einem konstanten Flußstrom durch das Diodenthermometer 3d erhält man eine Flußspannung Ur, die
nur von der Temperatur abhängig ist, die mit 3c gemessen wird.
Man kann schreiben:
Uf=U0-Ic-U.
Darin ist U0 die Flußspannung bei 00C, k die Änderung
der Flußspannung pro °C und ft die Temperatur in "C
Daraus ergibt sich der Flußwiderstand
30
und man erkennt, daß der Widerstandsverlauf nach (3) der in (I) vorausgesetzte ist.
Die Bedingung (1) wird mit einer Anordnung des Meßumformers nach Fig.3 erfüllt. Aus der Gleichstromquelle
4 wird über den Konstantstrom-Zweipol 10 ein Strom J\+hnm in die parallelgeschaltete Anordnung:
Konstantstrom-Zweipol 1 mit in Reihe geschaltetem Widerstandsnetzwerk 3b[Funktion nach Gleichung so
(3)], Gleichstromverstärker 2 und die Reihenschaltung 11a, 116, 12 getrieben, a und b sind die Verbindungsleitungen.
Der Konstantstrom-Zweipol 1 nimmt stets den Strom /1 auf. Der Gleichstromverstärker 2 nimmt einen
Strom/2 auf von der Größe
Aus dem Verzweigungspunkt ζ fließt in den eo
Gleichstromzahler II.7 und das Instrument 11A>
und die Zcnerdiode 12 nach dem Minuspol der Stromquelle der
Strom /,„:
Up
U0-k ■ ϋ
Man erkennt, daß der Widerstand UF—3d mi)
steigender Temperatur abnimmt und daß damit die Zusammenhänge zwischen dem Strom J\+hmax im
Konstantstrom-Zweipol 10 und dem Strom hmax—h
durch das Meßinstrument 116 die gleichen sind wie für
den Widerstand 3cbeschrieben.
Sollen nur kleine Temperaturbereiche erfaßt werden so ist es möglich, mehrere Dioden zu einer Kette
zusammenzuschalten und gemeinsam in einem entsprechend gestalteten Fühler unterzubringen. Man erhält für
eine aus η Dioden bestehende Kette:
RF = η ■
U0- k-ϋ
Jf
(51
Die Zenerdiode 12 in Verbindung mit dem Widerstand 13 dient dazu, ein Potential w von solcher Größe
zu erzeugen, daß das Potential ζ immer positiv genug (gegenüber dem Minuspol der Stromquelle 4 und untei
Berücksichtigung des Spannungsabfalls auf der Verbindungsleitung b gegenüber dem Potential 0 arr
Meßumformer 1, 2 ist, um das ordnungsgemäße Arbeiten von 1 und 2 sicherzustellen.
Die Zenerdiode 12 und der Widerstand 13 könnet auch entfallen, und statt dessen der Punkt w mit einci
Anzapfung an der Stromquelle 4 verbunden werden.
Für die in den Anordnungen nach F i g. 1, F i g. 2 unc
F i g. 3 eingesetzten Konstantstrom-Zweipole 1, 6, K und Gleichstromverstärker 2 können an sich bekannt«
Anordnungen dieser Art eingesetzt werden. Es hat siel aber gezeigt, daß insbesondere die bekannten Konstant
strom-Zweipole den mit den Meßaufgaben gestellter
Forderungen nicht genügen.
So wird z. B. gefordert, daß für eine einzig!
Ausführung nach Fig. 1 Stromquellen 4 mit Spannun gen zwischen 24 und 80 V, Meßinstrumente zwischen ca
0 Ohm und 2 kOhm und Leitungen zwischen 0 und 500 Ohm pro Ader eingesetzt werden dürfen. Dann
kann die Betriebsspannung an den Verbindungspunkten der Verbindungsleitungen a, i>mit dem Meßumformer 1,
2 z. B. Werte zwischen 12 V und 80 V annehmen. Der Speisestrom ]\ und der von der Prozeßgröße abhängige
Strom /2 sollen dabei infolge des Einflusses dieser Spannung um weniger als ±0,2% schwanken.
Das ist eine Forderung, die bei Meßumformern Widerstand/Strom, bei denen die Stromquelle 4 direkt
beim Meßumformer bzw. beim Geber sitzt, nicht auftritt. Dort sind normalerweise höchstens Unterschiede
an der Stromquelle 4 selbst in der Größenordnung ± 10% oder auch ± 20% vom Sollwert zu erwarten.
Die bekannten Konstantstrom-Zweipole, die im wesentlichen aus zwei parallelgeschalteten komplementären
Kreisen mit je einem Transistor, einer Zenerdiode und einem Kompensationswiderstand bestehen, vermögen
die obigen Forderungen nicht zu erfüllen. Auch ist bei diesen Anordnungen der von der Umgebungstemperatur
abhängige Fehler größer als der zulässige. Er soll kleiner sein als 0,1%/100C. Weiter ergibt sich aus der
Parallelschaltung der beiden Zweige, daß jeder Zweig und jede Zenerdiode in einem Zweig nur die Hälfte des
Gesamtstromes führt. Soll nur ein Strom von 4 mA stabilisiert werden (s. Beschreibung der Fig. 1), so
entfallen auf jeden Zweig 2 mA. Bei Zenerdioden nimmt der differentielle Widerstand stark zu, wenn der Strom
abnimmt. Für eine typische, für den Zweck geeignete Zenerdiode mit einer Zenerspannung von ca. 5... 6 V
ergibt sich z. B. für einen Strom von 2 mA etwa der 2,5fache differentielle Widerstand wie für einen Strom
von 4 mA. Der differentielle Widerstand der Zenerdioden ist aber umgekehrt proportional der Güte der
Stabilisierung. Ferner ist die Güte der Stabilisierung von der Verstärkung des Regelkreises, in diesem Falle des
Transistors, abhängig.
In F i g. 4 ist ein Konstantstrom-Zweipol dargestellt, der wie folgt arbeitet: Aus der Zenerdiode 21, dem
Kompensationswiderstand 22 und den Widerständen 23 und 24, deren Größe etwa das Hundertfache des
Widerstandes 22 ist, nebst der Diode 26, die zur Temperaturkompensation dient, ist eine Brückenschaltung
aufgebaut, in deren Diagonalzweig die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 25 liegt. Transistor 25 steuert
den Transistor 27, der stets einen Strom von solcher Größe führt, daß sich an dem Widerstand 22 eine
Spannung im Verhältnis zur Zenerspannung an 21 aufbaut, daß die über die Widerstände 23 und 24, 26
geteilte, der Basis des Transistors 25 zugeführte Spannung gerade von der Größe ist, daß 25 den für die
Erfüllung der Gleichgewichtsbedingungen erforderlichen Basisstrom an 27 liefert.
Wird z. 3. der Strom im Kollektor-Emitter-Zweig des Transistors 27 zu klein, so wird auch der in den
+ -Anschluß hinein- und aus dem --Anschluß herausfließende Konstantstrom Jk zu klein. Dann ist auch der
Spannungsabfall über dem Widerstand 22 zu gering. Das Teilerverhältnis von 23 und 24, 26 ist konstant, und
die Spannung an der Basis von 25 wird positiver gegen den Emitter von 25. Dadurch wird 25 weiter
ausgesteuert und führt dem Transistor 27 mehr Basisstrom zu, so daß sich der richtige Strom in 27, 22
und der richtige Strom Jk der Gesamtanordnung wieder einstellt.
Da die Regelanordnung zweistufig ist, wird eine sehr steile Regelcharakterislik und eine hohe Regelgcnauigkeit
bzw. ein sehr konstanter Strom Ik erzielt.
Bei sehr großen Änderungen der Speisespannung +, — der Anordnung ergibt sich dennoch eine nicht mehr
zulässige Veränderung des Stromes Jk mit der Speisespannung. Diese kann praktisch zu 0 gemacht
werden, mittels des Widerstandes 30. Dieser ist direkt mit dem Pluspol + und mit dem Widerstand 22
verbunden, der am Minuspol — der Anordnung liegt. Der mit der Speisespannung variierende Strom über 30
erzeugt einen zusätzlichen, mit der Speisespannung variierenden Strom über 22. Nimmt man an, daß der
Gesamtstrom Jk der Anordnung für eine bestimmte Speisespannung gerade richtig ist, so wird bei Erhöhung
der Speisespannung etwas mehr Strom über 30 und 22 getrieben. Dann erhöht sich der Spannungsabfall über
22.
Das hat zur Folge, daß 25 weniger weit ausgesteuert wird und weniger Basisstrom an 27 liefert. Dadurch wird
aber auch der Strom über 27 und über die Zenerdiode 21 geringer. Die Zenerspannung nimmt etwas ab. Dann
wird aber 25 noch weniger weit ausgesteuert, so daß zum Schluß die Anordnung wieder stabil ist, und der
Gesamtstrom Jk der gleiche ist wie zuvor.
Die Diode 26 hat die Aufgabe, die im wesentlichen durch die Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode 21
und des Transistors 25 verursachte, Oei einer Änderung
der Umgebungstemperatur auftretende Änderung des Stromes Jk weitgehend zu kompensieren. Für die
vollständige Kompensation ist an sich eine Diode 26 erforderlich mit einem Temperaturkoeffizienten der
Flußspannung bzw. des Flußwiderstandes ganz bestimmter Größe. Diese wird man normalerweise nicht
erhalten. Bei der gezeigten Anordnung kann aber durch die Bemessung des Verhältnisses der Widerstände 23
und 24 bzw. des Verhältnisses zwischen Zenerspannung 21 und Kompensationsspannung (über Ä22) der
erforderliche Temperaturkoeffizient so festgelegt werden, daß er dem für normale, käufliche Dioden typischen
entspricht.
Der Widerstand 29 dient als Zündwiderstand; ohne ihn fließt bei Verwendung von Siliziumtransistoren 25 und 27 kein Strom über die Anordnung, weil 25 und 27 gesperrt sind. Für 29 genügt ein Widerstand, der einige μΑ Strom durchläßt, also in der Größenordnung MOhm. Andererseits wird in dem Transistor 27 das Produkt aus überschüssiger Spannung und Strom Jk in Wärme umgesetzt. Insbesondere wenn größere Ströme fließen (z. B. in 10 in Fi g. 3) bereitet dann die Wärmeabfuhr aus dem Transistor 27 Schwierigkeiten, und es muß auch schon zu Typen mit größerer zulässiger Verlustleistung gegriffen werden. Nach der Erfindung kann der Transistor 27 dadurch von einem großen Teil der Verlustleistung entbunden werden, daß der Widerstand 29 entsprechend kleinere Widerstandswerte hat. An sich ist theoretisch ein Widerstand 29 möglich von der Größe
Der Widerstand 29 dient als Zündwiderstand; ohne ihn fließt bei Verwendung von Siliziumtransistoren 25 und 27 kein Strom über die Anordnung, weil 25 und 27 gesperrt sind. Für 29 genügt ein Widerstand, der einige μΑ Strom durchläßt, also in der Größenordnung MOhm. Andererseits wird in dem Transistor 27 das Produkt aus überschüssiger Spannung und Strom Jk in Wärme umgesetzt. Insbesondere wenn größere Ströme fließen (z. B. in 10 in Fi g. 3) bereitet dann die Wärmeabfuhr aus dem Transistor 27 Schwierigkeiten, und es muß auch schon zu Typen mit größerer zulässiger Verlustleistung gegriffen werden. Nach der Erfindung kann der Transistor 27 dadurch von einem großen Teil der Verlustleistung entbunden werden, daß der Widerstand 29 entsprechend kleinere Widerstandswerte hat. An sich ist theoretisch ein Widerstand 29 möglich von der Größe
R —
AU
(darin ist AU die maximal über 27 bzw. 29 auftretende Spannung).
Dann ergibt sich als Verlustleistungsmaximum am Transistor 27:
Das ist nur noch ein Viertel der bei einem großen Widerstand 29 in 27 auftretenden Verlustleistung. Man
wird normalerweise nicht so nahe an die Grenze gehen,
sondern durch einen Widerstand entsprechend größer als ^r- , etwa 30% der an sich maximalen Verlustlei-
JK
stung im Transistor 27 zulassen.
An dem Konstantstrom-Zweipol ist weiter ein Abgriff Uk (F i g. 5) vorgesehen, an dem eine Hilfsspannung mit
konstantem Potential gegenüber dem Anschluß ( —) abgegriffen werden kann.
An den Gleichstromverstärker 2 in F i g. 1, F i g. 2 und F i g. 3 werden aus den schon beschriebenen Forderungen
heraus ebenfalls Ansprüche gestellt, die mit den herkömmlichen Anordnungen nur unvollkommen zu
befriedigen sind. Weiter soll der Verstärker 2 so ausgebildet sein, daß bei einem Windungsbruch des
Widerstandsferngebers oder Widerstandes 3a größere Ströme in den Meßinstrumenten als wenige % über dem
maximalen, durch die Prozeßgröße bedingten Strom zuverlässig verhindert werden.
in Fig. 5 ist ein Gleichstromverstärker dargestellt,
der allen Anforderungen genügt. Um die Zusammenhänge klarer zu zeigen, ist der Konstantstrom-Zweipol
nach Fig.4 und der Widerstandsferngeber 3 mit dargestellt Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: Der
über die Verbindungsleitung a zugeführte Strom J\ + J2
verzweigt sich in J2, der in den Gleichstromverstärker
fließt, und J], der in den Konstantstrom-Zweipol fließt. Aus dem Gleichstrom-Zweipol heraus fließt der Strom
Jk in den Schleifer 12 des Widerstandsferngebers 3 und baut über 3a eine diesem proportionale Spannung auf.
Der Strom Jk ist nicht genau der Strom J], weil über den
Ausgang Uk des Konstantstrom-Zweipols der Strom Ji
entnommen wird. Dieser ist von der Größenordnung einige Zehntel %o bis einige %o des Stromes Jk bzw. J].
Die Spannung über 3a kann dem Verstärkereingang — Basis des Transistors 33 — nicht direkt zugeführt
werden; denn es muß, damit 33 die weiteren Verstärkerstufen steuern kann, zunächst die Emitter-Basis-Schwellspannung
von 33 überwunden werden.
Das könnte an sich geschehen durch Einfügen eines Widerstandes zwischen dem Anschluß 11 des Widerstandsferngebers
3 und dem Punkt 0 der Schaltung. Weil aber die Emhter-Basis-Schwellspannung von 33 einen
Temperaturkoeffizienten von etwa 2,4 mV/°C hat, würde sich dabei ein unzulässig großer Temperaturgang
des Verstärkers ergeben. Die Erzeugung der Schwellspannung bei gleichzeitiger Kompensation des Temperaturgangs
geschieht mittels der in Flußrichtung zwischen den Widerstand 42 und den Anschluß 13 des
Widerstandsferngebers 3 eingeschalteten Diode 43. Abgesehen von dem Einfluß des Stromes /4 in die Basis
des Transistors 33, der aber nur etwa 1 % des Stromes Jz
beträgt, ist der Strom durch die Diode 43 nur bestimmt durch die Größen Uy, und /?(42), also konstant. 42 wird
so gewählt, daß die über der Diode 43 abfallende Spannung genau so groß ist wie die Schwellspannung
des Transistors 33. Die Verstärkeranordnung 31 bis 41 nimmt dann stets einen solchen Strom J2 auf, daß der
Spannungsabfall über dem Kompensationswiderstand 37 genau gleich der Spannung über dem Widerstand 3a
ist. Durch geeignete Bemessung von 37 wird die Größe des Stromes Ji festgelegt. Der Einfluß des Stromes J*,
der ebenfalls über 37 abfließt, ist so gering (»ΙΟ-5 vom
Endwert für /2), daß er unberücksichtigt bleiben kann.
Liegt eine Unterbrechung der Wicklung von 3 oder der Zuleitungen zu 3 vor, so tritt an der Basis von 33 eine
hohe Spannung auf, die einen entsprechend hohen Wert der Prozeßgröße vortäuscht. Der Verstärker möchte
durch Aufnahme eines entsprechend großen Stromes J2
diese Spannung kompensieren. Sind genügend große Widerstände der Verbindungsleitungen und der Meßinstrumente
vorhanden, so wird auf einen Strom begrenzt, der gleich ist der Speisespannung dividiert durch die
Summe aller Verbindungsleitungs- und Instrumentenwiderstände und den Widerstand 37, der unter
Umständen in Kauf genommen werden kann. Sind die Widerstände aber klein'und die Betriebsspannung groß,
so treten Ströme /2 auf, die ein Vielfaches des maximalen Nennstromes betragen. Dadurch können Meßinstrumente,
der Transistor 38 in der Endstufe des Verstärkers und der Widerstand 37 zerstört werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Begrenzung der Überströme dadurch erreicht, daß ein weiterer Transistor 41 vorgesehen ist, der verhindert, daß der Strom durch den Transistor 38, der etwa 99% des gesamten Verstärkerstromes Ji ausmacht, um mehr als einen gewissen Bruchteil größer werden kann als der Soll-Endwert des Stromes /2. In die Emitterleitung des Transistors 38 ist ein Widerstand 39 eingeschaltet, an dem sich eine praktisch dem jeweiligen Strom /2 proportionale Spannung aufbaut. Legt man 39 so aus, daß z. B. beim Soll-Endwert von J2 6 V über 39
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Begrenzung der Überströme dadurch erreicht, daß ein weiterer Transistor 41 vorgesehen ist, der verhindert, daß der Strom durch den Transistor 38, der etwa 99% des gesamten Verstärkerstromes Ji ausmacht, um mehr als einen gewissen Bruchteil größer werden kann als der Soll-Endwert des Stromes /2. In die Emitterleitung des Transistors 38 ist ein Widerstand 39 eingeschaltet, an dem sich eine praktisch dem jeweiligen Strom /2 proportionale Spannung aufbaut. Legt man 39 so aus, daß z. B. beim Soll-Endwert von J2 6 V über 39
JO abfallen, und führt diese Spannung dem Transistor 41
über die Zenerdiode 40 zu, so wird, wenn die Zenerdiode etwa eine Durchbruchspannung von 5,5 V hat, der
Transistor 41 noch keinen Strom aufnehmen, da die Spannung von 6 V-5,5 V = 0,5 V noch unterhalb seiner
J5 Schwellspannung liegt.
Wird durch einen Defekt von 3 oder der Zuleitungen zu 3 der hohe Meßwert vorgetäuscht, so nimmt 38 sofort
einen größeren Strom auf, und die Spannung über 39 nimmt zu. Nimmt sie z. B. um 5%, also auf 6,3 V zu, so
liegt an der Basis von 41 eine Spannung von 6,3 V — 5,5 V = 0,8 V. Damit wird 41 so weit ausgesteuert,
daß so viel Strom an der Basis von 38 über die Kollektor-Emitter-Strecke von 41 entnommen wird, so
daß in die Basis von 38 nur noch so viel Strom gelangt, um die Wirkung von 41 gerade aufrechtzuerhalten. Ob
der vorgetäuschte Eingangswert 10% oder 500% größer ist als der Soll-Endwert spielt dabei überhaupt
keine Rolle. Es wird sich stets ein maximaler Strom J2
einstellen, der 5% größer ist als der Soll-Endwert von J2,
und der höchstens wegen des Temperalurgangs der Schwellspannung des Transistors 41 und der Durchbruchspannung
der Zenerdiode 40 um einige % nach oben oder unten streut.
Falls eine so enge Begrenzung nicht erforderlich ist, kann auch auf die Zenerdiode 40 verzichtet, und die
Basis des Transistors 41 direkt mit dem Emitter des Transistors 38 verbunden werden. 39 muß man dann so
auslegen, daß beim Soll-Endwert von J2 etwa eine
Spannung von 0,5 V auftritt. Es wird dann eine Begrenzung auf etwa 50% mehr als den Soll-Endwert
von J2 erreicht, die um etwa ± 20% mit der Temperatur
streut.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (17)
1. Widerstand/Strom-Meßumformer, bestehend aus einem die Prozeßgröße überwachenden Widerstandsferngeber
oder Widerstand und einem von diesem gesteuerten Gleichstromverstärker sowie einer von der Impedanz des Gleichstromverstärkers
abhängigen, die Meßgröße anzeigenden Last, die in die eine Zuleitung von der Stromquelle zum
Meßformer eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus dem
Gleichstromverstärker (2) und dem Widerstand (3b) die aus dem Konstantstrom-Zweipol (1) und dem
Widerstand (3a) bestehende Reihenschaltung parallel geschaltet ist.
2. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Pluspol der Stromquelle (4) und die Verbindungsleitung
(a) ein Konstantstrom-Zweipol (6) eingeschaltet ist, der einen Strom von gleicher Größe führt wie
der Konstantstrom-Zweipol (1), und daß die Meßinstrumente (7a); (7b) an den Verbindungspunkt
fa) zwischen Konstantstrom-Zweipol (6) und Verbindungsleitung
(a) einerseits und an die um die Spannung der Zenerdiode (8) gegenüber der
positiven Spannung der Stromquelle (4) verminderte Spannung am Verbindungspunkt (y) andererseits
angeschlossen sind.
3. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
a) dem Gleichstromverstärker (2) die aus dem Konstantstrom-Zweipol (1) und dem Widerstand
(3c; 3d) bestehende Reihenschaltung parallel geschaltet ist,
b) zwischen den einen Pol der Stromquelle (4) und die Verbindungsleitung (a) ein Konstantstrom-Zweipol
(10) eingeschaltet ist, der einen Strom führt gleich der Summe der Ströme in (1) und
des maximalen Stromes in (2),
c) die Meßinstrumente (lla), (Wb) an den
Verbindungspunkt (z) zwischen dem Konstantstrom-Zweipol (10) und der Verbindungsleitung
(a) einerseits und über den Verbindungspunkt (w) über die Zenerdiode (12) an den Minuspol
der Stromquelle (4) andererseits angeschlossen sind.
4. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den
Verzweigungspunkt (x) und die Verbindungsleitung (a)e\n weiteres Instrument (7ς) eingeschaltet ist.
5. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den
Strompfad zwischen den Verbindungspunkten (x) und (y)e\ne Diode (74>eingeschaltet ist.
6. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand
(3c) als Widerstandsnetzwerk ausgebildet ist, dessen Widerstandsverlauf umgekehrt proportional
der Prozeßgröße ist.
7. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand
(3d) der Flußwiderstand einer oder mehrerer in Reihe geschalteter Dioden ist.
8. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den
Brückenzweigen (21), (22) und (23), (24), (26) eine Brückenschaltung gebildet ist, in deren Diagonal-
zweig die Emitter-Basis-Strecke des Transistors (25) eingeschaltet ist, und daß in Reihe mit der
Brückenschaltung die Emiiter-Kollektor-Strecke des Transistors (27) geschaltet ist, dessen Basis mit
dem Kollektor des Transistors (25) verbunden ist.
9. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Pluspol ( + ) und den Verbindungspunkt der Brückenglieder (21), (22) ein Widerstand
(30) eingeschaltet ist.
10. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Temperaturkoeffizient der Brückenglieder (21) plus (25) dem Temperaturkoeffizienten der Diode (26)
durch das Verhältnis der Spannungen (21) zu (22) und der Widerstände (23) zu (24) angepaßt wird.
11. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zündwiderstand (29) von solcher Größe ist, daß er bei maximaler Spannungsdifferenz zwischen den
Potentialen ( + ) und (+Uk) mehr als halb soviel Strom führt wie der Emitter des Transistors (27).
12. Konstantstrom-Zweipol nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der über
(21) und (22) abfallenden Spannungen an einen Anschluß (+ Uk) geführt wird.
13. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis
des ersten Transistors (33) des jleichstromverstärkers
mit der in Flußrichtung vorgespannten Diode (43) und dem den Flußstrom leitenden Widerstand
(42) verbunden ist und daß die Diode (43) mit ihrem anderen Pol mit den Widerständen (3a) oder (3c)
oder (3d) verbunden ist.
14. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Widerstand (42) mit dem Punkt (+ Uk) verbunden ist.
15. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Zuleitung zum Emitter des Transistors (38) ein Widerstand (39) angeordnet ist, und daß der
Transistor (41) mit seiner Basis an den Emitter von (38), mit seinem Kollektor an die Basis von (38) und
mit seinem Emitter an den mit dem Emitter von (38) nicht verbundenen Anschluß des Widerstandes (39)
verbunden ist.
16. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors (41) über die Zenerdiode (40) hergestellt wird.
17. Widerstand/Strom-Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Summe aller Ströme des Gleichstromverstärkers (2) über den Kompensationswiderstand (37) geführt
wird.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19702038027 DE2038027B2 (de) | 1970-07-31 | 1970-07-31 | Widerstand/strom-messumformer |
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Publication Number | Publication Date |
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DE2038027A1 DE2038027A1 (de) | 1972-02-03 |
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ID=5778463
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Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE2038027B2 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4216467A1 (de) * | 1992-05-19 | 1993-12-02 | Siedle Horst Kg | Potentiometer |
DE102007042741B3 (de) * | 2007-09-07 | 2008-12-04 | Knick Elektronische Messgeräte GmbH & Co. KG | Messumformeranordnung zur Erfassung und signaltechnischen Weiterleitung von Messgrößen |
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1970
- 1970-07-31 DE DE19702038027 patent/DE2038027B2/de not_active Ceased
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