DE2221371B2

DE2221371B2 - Einrichtung zur drahtlosen Übertragung eines Meßwerts von einem Meßwertgeber in eine Auswerteschaltung

Info

Publication number: DE2221371B2
Application number: DE19722221371
Authority: DE
Inventors: Heinz 7505 Ettlingen Nickel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-05-02
Filing date: 1972-05-02
Publication date: 1974-04-25
Also published as: FR2183478A5; DE2221371A1; IT984164B

Description

Schwingkreis (7) mit dem Schwingkreis (4) im

Meßwertgeber (1) induktiv gekoppelt ist und 20
einen Phasendiskriminatoi (11) speist, dessen

Ausgangsgröße (U_A) der von der meßwertabhän- Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für draht-

gigen Verstimmung durch den Schwingkreis (4) lose Übertragung eines Meßwerts von einem Meßim Meßwertgeber (1) bedingten Phasenverschie- wertgeber unter Verwendung eines eine elektrische bung zwischen Strom (i) und Spannung (u) ent- 25 Meßspannung erzeugenden Meßfühlers in eine Ausspricht, werteschalrung mit Hilfe induktiv gekoppelter, auf-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- einander abgestimmter Schwingkreise nach dem Prinkennzeichnet, daß die Ausgangsgröße (U_A) des zip der sich mit der Meßgröße ändernden Resonanz-Phasendiskriminators (11) einen von einem Trä- frequenz.

gerfrequenzgenerator (14) gespeisten Modulator 30 Eine in der Meßtechnik häufig gestellte Aufgabe (13) zugeführt ist und daß die modulierte Wech- ist die, eine in einem Meßwertgeber erzeugte, eine selspannung induktiv in den Meßwertgeber (1) physikalische Eigenschaft eines Meßmediums abbileingekoppelt, dort demoduliert und kompensie- dende elektrische Größe drahtlos in eine Auswerterend der Meßspannung (U_M) gegengeschaltet ist, schaltung zu übertragen.

derart, daß die resultierende kleine Differenzspan- 35 Es sind Einrichtungen bekanntgeworden (z. B. nung das frequenzbestimmende Element (6) des deutsche Auslegeschrift 1 258 014), bei denen im Schwingkreises (4) steuert, und daß die modu- Meßwertgeber neben dem eigentlichen Meßfühler lierte Wechselspannung zugleich im Ausgangs- noch eine Sendeeinrichtung anordnet ist, deren abkreis der Auswerteschaltung (2) demoduliert ist gestrahlte HF-Energie die Meßinformation enthält, zur Gewinnung einer Rückführspannung (U_R) 40 Die zum Betrieb der Sendeeinrichtung bzw. ihrer akentsprechenden und damit der Meßspannung tiven Elemente, wie Transistoren usw., notwendige (Um) proportionalen Ausgangsgröße. Energie muß von einem in der Auswerteschaltung an-

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- geordneten Sender ebenfalls drahtlos in den Meßkennzeichnet, daß zwischen Phasendiskriminator wertgeber übertragen werden. Derartige Meßschal-(11) und Modulator (13) ein Wandler (20) ein- 45 tungen sind relativ aufwendig in ihrem Aufbau. Entgeschaltet ist, an dessen Ausgang eine Impulsfolge hält die Sendeeinrichtung im Meßwertgeber eine konstanter Frequenz und Amplitude auftritt, Reihe von insbesondere aktiven Halbleiterelementen, deren Tastverhältnis (rl/f2) dem Eingangssignal wie es bei dem räumlich sehr beschränkten Aufbau und damit dem Meßwert proportional ist, und daß erforderlich ist, so sind derartige Schaltungen auf die in den Meßwertgeber (1) übertragene Impuls- 50 Grund des starken Temperaturgangs der Halbleiterfolge dort einer Schaltung (23) zur Bildung des elemente entweder nur in einem begrenzten Tempearithmetischen Mittelwerts zugeführt ist, deren raturbereich einsetzbar oder es müssen aufwendige Ausgangsgröße als Rückführspannung (U_R) der weitere Maßnahmen zur Kompensation des Tempe-Meßspannung (U_M) kompensierend gegengeschal- ratureinflusses getroffen werden.

tet ist. 55 Ε·> ist auch eine Einrichtung zur Übertragung

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- von Temperaturmeßwerten aus einem beweglichen kennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen der Maschinenteil bekannt (deutsche Auslegeschrift Demodulatoren (17 und 19) im Regelkreis des 1 223 029), bei der in dem beweglichen Maschinen-Meßwertgebers (1) und im Ausgangskreis der teil eine Wechselstrommeßbrücke angeordnet ist, an Auswerteschaltung (2) auf gleiche Weise und 6c deren Eingang und Ausgang jeweils eine Induktions-Höhe begrenzt sind. spule liegt. Den Spulen siehen im feststehenden Teil

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, da- entsprechende Induktionsspulen gegenüber. Die durch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz Spule, die dem Eingang der Wechselstrombrücke gedes Schwingkreises (7) der Auswerteschaltung (2) genüberliegt, wird mit Wechselspannung oder Hochzur Trägerfrequenz des Modulatois (13) und 65 frequenz erregt. Die in der feststehenden, der Ausdiese zur Impulsfrequenz des Wandlers (20) je- gangsspule der Brücke gegenüberliegenden Spule aufweils mindestens im Verhältnis 10: 1 steht. tretende Spannung hängt von der Brückenverstim-

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem mung ab, die wiederum eine Funktion eines in der

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Brücke angeordneten temperaturabhängigen Wider- größeren Spannungsbereich ein diesem proportiona-

stands ist. Diese Meßanordnung zeichnet sich zwar Ies Ausgangssignal in der Auswerteschnlrung zu ge-

durch einen relativ einfachen Aufbau aus, sie isi je- winnen.

doch nur dann einsetzbar, wenn das Meßsignal in der Die Erfindung wird an Hand der in den Fig. 1

geschilderten Weise zu gewinnen ist. Hat der eigent- 5 bis 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiele erläutert,

liehe Meßfühler einen sehr hohen Innenwiderstand Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung gemäß An-

und gibt demgemäß nur ein sehr kleines Meßsignal Spruch 1;

ab, wie es beispielsweise bei elektrometrischeu Mes- Fig. 2 zeigt die Weiterbildung gemäß Anspruch 2

sungen zur Bestimmung des pH-Wertes oder des mit dem Proportionalregelkreis mit Spannungsriick-

Ridox-Potentials der Fall ist, müssen andere Wege io führung;

gesucht werden, daß Meßsignal oder den Meßwert Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit größtmöglicher Genauigkeit zu übertragen, wo- mit Weiterbildungen der Schaltungsanordnung zur bei der Schaltungsaufwand im eigentlichen Meßwert- Erhöhung der Ubertragungsgenauigkeit;
geber sowohl den räumlichen wie auch den techno- F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Komlogischen Erfordernissen entsprechend möglichst 15 pensation des Temperaturfehlers von Kapazitätsklein zu halten ist. Die Verwendung von aktiven dioden, wie sie in der Einrichtung verwendet werden. Halbleiterelementen im Meßwertgeber soll möglichst In F i g. 1 besteht die Meßeinrichtung im wesentvermieden werden. " liehen aus dem Meßwertgeber 1 und der Auswerte-

Den genannten Erfordernissen kommt eine Ein- schaltung 2, die räumlich und galvanisch voneinander richtung der eingangs genannten Art nach, die da- 20 getrennt sind. Der Meßwertgeber 1 enthält einen durch gekennzeichnet ist, daß in dem Meßwertgeber Meßfühler 3, welcher die zu messende physikalische sin eine elektrische Meßspannung erzeugender Meß- Eigenschaft des Meßmediums in eine elektrische fühler und ein Schwingkreis angeordnet sind, der ein Spannung, die Meßspannung U_M, umformt. Im Meßvon der Meßspannung weitgehend leistungslos ge- wertgeber 1 ist weiter ein Schwingkreis 4 angeordnet, steuertes frequenzbestimmendes Element enthält und 25 der aus einer Induktionsspule S und einer veränderdaß in der Auswerteschaltung ein Hochfrequenzoszil- liehen Kapazität als frequenzbestimmendes Element 6 lator angeordnet ist, dessen Schwingkreis mit dem besteht. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises ändert Schwingkreis im Meßwertgeber induktiv gekoppelt sich in Abhängigkeit von der das Element 6 steuernist und einen Phasendiskriminator speist, dessen Aus- den Meßspannung U_M.

gangsgröße der von der meßwertabhängigen Verstim- 30 In der Auswerteschaltung 2 ist ein weiterer Schwing-

mung durch den Schwingkreis im Meßwertgeber be- kreis 7 angeordnet, dessen Induktionsspule 8 induk-

dingten Phasenverschiebung zwischen Strom und tiv mit der Induktionsspule 5 des Schwingkreises 4

Spannung entspricht. im Meßwertgeber 1 gekoppelt ist. Der Schwingkreis 7

Als frequenzbestimmende Elemente können vor- bildet mit dem Hochfrequenzgenerator 9 eine Oszilla-

zugsweise spannungsabhängige Kapazitätsdioden ver- 35 torschaltung, deren Frequenz in dem Frequenzbereich

wendet ν erden, welche auch in extrem hochohmigen des Schwingkreises 4 liegt. Über ein Koppelglied 10

Ausführungen erhältlich und damit zum Anschluß an wird ein Phasendisknminator 11 strom- und span-

Meßfühler mit sehr hohem Innenwiderstand geeignet nungsmäßig gespeist.

sind. Bei derartigen spannungsabhängigen Kapazitä- Befinden sich die induktiv gekoppelten Schwingten ist der Zusammenhang zwischen Kapazität und 40 kreise 4 und 7 in Resonanz, so tritt keine Phasensteuernder Spannung jedoch nicht linear, so daß bei verschiebung zwischen Strom und Spannung im Schwankungen der als Meßsignal vorliegenden Span- Schwingkreis 7 auf, demgemäß ist die Ausgangsgröße nung über einen größeren Bereich eine proportionale des Phasendiskriminators U gleich Null. Ändert sich Übertragung des Meßwerts in die Auswerteschaltung jedoch die Eigenfrequenz des Schwingkreises 4 im mit der erforderlichen Genauigkeit nicht ermöglicht 45 Meßwertgeber 1 infolge einer meßwertabhängigen werden k mn. Bei sehr kleinen Spannungsänderungen Verstimmung ihrer Kapazität, so tritt rückwirkend an der Kapazitätsdiode kann ihre Übertragungscha- eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen rakteristik jedoch als linear angesehen werden. Im Strom / und Spannung u im Schwingkreis 7 auf, die vorliegenden Fall kann dies mit Hilfe eines Propor- Ausgangsgröße des Phasendiskriminators 11 ist dietionalregelkreiscs mit Spannungsrückführung erreicht 50 ser Verstimmung und damit dem Meßwert proporwcrden. tional.

Demgemäß ist eine Weiterbildung der Erfindung Da die zur Zeit erhältlichen Kapazitätsdioden eine dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des nichtlineare Kapazitätsspannungskennlinie aufweisen, Phasendiskriminators einem von einem Trägerfre- ist bei ihrer Verwendung als frequenzbestimmendes quenzgenerator gespeisten Moduiator zugeführt ist 55 Element im Schwingkreis 4 der Arbeitspunkt auf und daß die modulierte Wechselspannung induktiv einen Kennlinienabschnitt mit verhältnismäßig gein den Meßwertgeber eingekoppelt, dort demoduliert ringer Krümmung zu legen, weiter ist es erforderlich, und kompensierend der Meßspannung ge^engeschal- daß die Meßspannung U_M sich nur um geringe Betet ist, derart, daß die resultierende kleine Differenz- träge ändert, da sonst entsprechende Maßnahmen in spannung das frequenzbestimmende Element des 60 der Auswerteschaltung 2, beispielsweise eine nichtSchwingkreises steuert und daß die modulierte Wech- lineare Skaleneinteilung des Anzeigeinstruments 12, selspannung zugleich einer zweiten Demodulator- vorgesehen werden müssen.

schaltung im Ausgangskreis der Auswerteschaltung Wird für die Weiterverarbeitung von Meßsignalen

zugeführt ist zur Gewinnung einer der Kompensa- bei der Prozeßautomatisierung eine lineare Abhängigtionsspannung entsprechenden und damit der Meß- 65 keit des Ausgangssignals einer Auswerteschaltung

spannung proportionalen Ausgangsgröße. •on dem eigentlichen Meßsignal verlangt, so ist die

Damit ist es möglich, auch bei Änderungen des oben beschriebene Schaltungsanordnung um einen

vom Meßfühler erzeugten Meßsignals über einen PronorfinnairPimiL·™.·» —·* "

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zu erweitern. Damit ist es möglich, die Spannungs- wird die an seinem Ausgang auftretende Rechteck

änderungen an der Kapazitätsdiode sehr klein zu hai- impulsfolge einem Spannungsbegrenzer 22 in Form

ten, so daß eine lineare Abhängigkeit der Frequenz einer Zenerdiode zugeführt, welche dafür sorgt, daß

des Schwingkreises 4 im Meßwertgeber 1 von der die Rechteckimpulse auf gleiche Höhe beschnitten

Meßspannung U_M gewährleistet wird. 5 werden. In einem darauffolgenden ÄC-Glied 23 wird

In F i g. 2 ist eine derartige Schaltungsanordnung der arithmetische Mittelwert der Impulsfolge gebilde dargestellt. Die bereits aus F i g. 1 bekannten Teile und dieser arithmetische Mittelwert als Rückführder Schaltungsanordnung sind mit den gleichen Be- spannung U_n der Meßspannung U_M entgegenzugszeichen bezeichnet. Die Ausgangsspannung U_A geschaltet,
als Ausgangsgröße des Phasendiskriminatc-s 11 dient io Als Meßfühler 3 ist hier eine Elektrodenmeßkette zur Amplitudenmodulation einer im Trägerfrequenz- zur pH-Wertmessung dargestellt, bei der die Meßeingenerator 14 erzeugten Wechselspannung ira Modula- richtung nach der Erfindung bevorzugt angewendet tor 13. Die modulierte Wechselspannung aus dem wird. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und da der Modulator 13 wird einer Induktionsspule IS züge Innenwiderstand der pH-Meßelektroden sehr hoch führt, die mit der Induktionsspule 16 im Meßwert- 15 ist, wird entsprechend als frequenzbestimmendes geber 1 induktiv gekoppelt ist. Die in der Induktions- Element des Schwingkreises 4 im Meßwertgeber 1 ein spule 16 induzierte modulierte Wechselspannung wird sehr hoohohmiges Kapazitätsdiodenpaar 26, 26' verin dem Demodulator 17 gleichgerichtet und damit wendet.
eine der Ausgangsspannung U_A entsprechende Span- Auf den weiteren Demodulator 19 im Ausgangsnung gewonnen, welche als Rückführspannung V_R ao kreis der Auswerteschaltung 2 folgt ebenfalls ein der Meßspannung U_M kompensierend gegengeschaltet gleichartiger Spannungsbegrenzer 22 in Form einei ist. Die als ständige Regelabweichung verbleibende Zenerdiode. In einem Regelverstärker 24 wird die kleine Differenzspannung U_U — U_R in der Größen- Impulsfolge verstärkt und arithmetisch gemittelt, so Ordnung von 1 mV steuert die Kapazitätsdiode 26 daß am Ausgang 25 der Auswerteschaltung 2 eine im Schwingkreis 4. Eine lineare Abhängigkeit der 15 der Rückführspannung U_R entsprechende und dami) Kapazität von der Spannung ist in einem derartig der Meßspannung U_M proportionale Größe auftritt,
kleinen Bereich gegeben. Um Einstreuungen zu vei meiden, liegen bei der

Zur Gewinnung eines der Meßspannung V_M ent- angegebenen Schaltungsbeispielen die im Hochfre sprechenden Ausgangssignals ist die Induktionsspule quenzgenerator 9 erzeugte Oszillatoifrequenz. die im 15 mit einer weiteren Induktionsspule IH in der Aus- 30 Trägerfrequenzgenerator 14 erzeugte Trägerfrequen2 werteschaltung 2 gekoppelt. Die induktiv übertragene und die Frequenz der im Impulsgenerator 21 erzeugmodulierte Wechselspannung aus dem Modulator 13 ten Impulsfolge jeweils um mindestens eine Größenwird in einer weiteren Demodulatorschaltung 19 im Ordnung auseinander; die Oszillatorfrequen/ li^ Ausgangskreis der Auswerteschaltung 2 gleichgerich- beispielsweise im MHz-Bereich, die Trägerfrequenz tet und ein der Rückführspannung U_R entsprechen- 35 im kHz-Bereich und die Frequenz der Impulsfolge des und damit der Meßspannung U_M proportionales im Bereich von 100 Hz.
Signal gewonnen. Übliche Halbleiterkapazitätsdioden weisen einer

Bei der Ausführung einer Schaltung nach Fig. 2 stark positiven Temperaturkoeffizienten auf, wodurch treten in der Praxis jedoch noch weitere Störeinflüsse nicht von der Meßspannung U_M verursachte Ände auf, die aus Ungenauigkeiten der Koppelgeometrie 40 rungen der Frequenz des Schwingkreises auftreter der Induktionsspulen 15, 16, 18 bzw. Unterschieden können. Der Temperaturkoeffizient der Kapazitätsin den Eigenschaften der in der Schaltung verwen- dioden ist überdies stark spannungsabhängig. Um die deten Halbleiterdioden herzuleiten sind. Um der For- von der Temperaturabhängigkeit der Kapazitätsderung nach Gleichheit der Ausgangsspannung der dioden herrührenden Störeinflüsse zu beseitigen odei Auswerteschaliung 2 und der Rückführspannung U_R 45 zumindest stark zu mindern, ist, wie in F i g. 4 dar zu entsprechen, sind in einer Weiterbildung der gestellt, vorgesehen, dem gegensinnig geschalteter Schaltung nach F i g. 2 weitere Maßnahmen ergriffen Kapazitätsdiodenpaar 26, 26' einen Kompensationsworden, die in dem in Fig. 3 angegebenen Schal- kondensator 27 parallel zu schalten, der einen enttungsbeispiel gezeigt sind. Die Ausgangsspannung V_A sprechenden negativen Temperaturkoeffizienten aufdes Phasendiskriminators 11 ist hier nicht direkt dem 50 weist. Um einen genauen Abgleich zu erzielen, d. h Modulator 13 zugeführt, sondern einem Wandler 20, den Temperaturkoeffizienten der Kapazitätsdioder dessen Ausgangsgröße eine Impulsfolge konstanter über seine Spannungsabhängigkeit derart einzustel-Frequenz und Amplitude ist, deren Tastverhältnis rl/ len, daß eine Kompensation der Temperaturkoeffi- tl der Eingangsgröße des Wandlers 20, also der zienten der Kapazität auf Null durchführbar ist Spannung U_A, proportional ist. il ist dabei die Im- 55 kann die Induktivität der Induktionsspule 5 verstelli pulslänge, ti die Pausenlänge bis zum Auftreten des werden. Die dadurch erzwungene Verstimmung des nächsten Impulses. In dem Impulsgenerator 21 wird Schwingkreises 4 erzeugt über den Regelkreis eine dazu eine Rechteckimpulsfolge konstanter Frequenz Arbeitspunktverschiebung der Kapazitätsdioden derund Amplitude erzeugt und dem Wandler 20 züge- art, daß der der Spannung im neuen Arbeitspunki führt. Mit den am Ausgang des Wandlers 20 auftre- 60 entsprechende Temperaturkoeffizient dem des Komtenden Rechteckimpulsen wird im Modulator 13 die pensationskondensators 27 mit umgekehrten Voraus dem Trägerfrequenzgenerator 14 stammende zeichen entspricht

Wechselspannung moduliert und der Induktionsspule Unter Zuhilfenahme der neuzeitlichen integrierter 15 zugeführt, die die modulierte Wechselspannung Schaltungstechnik ist es so möglich, die elektronische sowohl auf die im Meßwertgeber 1 befindliche Induk- 65 Schaltung im Meßwertgeber derart zu verkleinern tionsspule 16 wie auch auf die Induktionsspule 18 in daß sie beispielsweise in dem oberen Teil des Glasder Auswerteschaltung 2 überträgt Nach der Gleich- körpers einer Einstab-Meßelektrode für pH-Wertrichtung in dem Demodulator 17 im Meßwertgeber 1 messung untergebracht und dort hermetisch einge-

schmolzen werden kann. Die Elemente der Auswerteschaltung 2 lassen sich entsprechend in der Fassung für die Einstab-Meßelektrode unterbringen. Das bisher mit großen Schwierigkeiten verbundene und nur von geschultem Personal ausführbare Reinigen oder Auswechseln der Meßelektroden läßt sich auf diese

Weise stark vereinfachen. Es ist auch möglich, eine derartige Einstab-Meßelektrode als Einweg-Element zu benutzen, d. h. nach einer gewissen Betriebszeit durch eine neue zu ersetzen, da die elektronische Schaltung im Innern eines solchen Meßwertgebers wenig aufwendig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

4095177288

Claims

1 2 der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- Patentansprüche: zeichnet, daß als frequenzbestimmendes Element (6) im Schwingkreis (4) des Meßwertgebers (1)

1. Einrichtung zur drahtlosen Übertragung Kapazitätsdioden (26, 26') vorgesehen sind,
eines Meßwertes von einem Meßwertgeber unter 5 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch geVerwendung eines eine elektrische Meßspannung kennzeichnet, daß den einen stark positiven, erzeugenden Meßfühlers in eine Auswerteschal- spannungsabhängigen Temperaturkoeffizienten rung mit Hilfe induktiv gekoppelter, aufeinander aufweisenden Kapazitätsdioden (26, 26^ ein abgestimmter Schwingkreise nach dem Prinzip Kompensationskondensator (27) parallel geder sich mit der Meßgröße ändernden Resonanz- io schaltet ist, dessen Temperaturkoeffizient etwa frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß dem der Kapazitätsdioden mit umgekehrten Vorin dem Meßwertgeber (1) ein eine elektrische zeichen entspricht, und daß die Spannungsabhän-Meßspannung (U_M) erzeugender Meßfühler (3) gigkeit des Temperaturkoefnzienten der Kapa- und ein Schwingkreis (4) angeordnet sind, der ein zitätsdioden (26, 26') durch Änderung der Indukvon der Meßspannung (L/_M) weitgehend leistungs- 15 tivität der Induktionsspule (5) des Schwingkreises los gesteuertes, frequenzbestinunendes Element (4) kompensierbar ist

(6) enthält, und daß in der Auswertsschaltung (2)
ein Hochfrequenzoszillator angeordnet ist, dessen