DE2256197B1

DE2256197B1 - Messwertumformer mit einem kompensationsbrueckenkreis

Info

Publication number: DE2256197B1
Application number: DE19722256197
Authority: DE
Inventors: Öle Fms Sonderborg Knudsen (Danemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1972-11-16
Filing date: 1972-11-16
Publication date: 1973-08-09
Also published as: DD107775A5; IT996970B; BE806837A; CA1003067A; CH555534A; NO138309C; ATA890673A; AT337825B; DE2256197C2; US3898554A; NO138309B; JPS4983482A; FR2207595A5; NL7315609A; GB1441158A; SE394909B

Description

nicht auf die Vorspannung des Meßverstärkers Rücksicht genommen zu werden, weil das Spannungsniveau der Brückendiagonale durch die Widerstandsanordnung und den Stromregler auf einem für den Betrieb des Meßverstärkers brauchbaren Spannungsniveau gehalten werden kann.

Die sehr kleine Betriebsspannung der Brücke hat den Vorteil, daß man ausreichend genaue Meßergebnisse mit sehr kleinen Brückenströmen, z. B. 50 μΑ, erhält. Umgekehrt kann man bei größeren Strömen, z. B. 4 mA, verhältnismäßig kleine Brückenwiderstände verwenden. So ist es bei Verwendung eines in einem Brückenzweig angeordneten, temperaturabhängigen Fühlerwiderstandes, der in der Größenordnung von 100 Ohm liegt, möglich, feste Brückenwiderstände in der gleichen Größenordnung zu verwenden.

Eine besonders einfache Schaltung ergibt sich, wenn die Widerstandsanordnung lediglich aus einem Vorwiderstand besteht, der so bemessen ist, daß der Brückenkreis durch den an ihm auftretenden konstanten Spannungsabfall etwa auf das Niveau der Vorspannung des Meßverstärkereingangs angehoben ist. Mit Hilfe eines einzigen Widerstandes wird hierbei nicht nur die Spannungsanhebung erzielt, sondern auch die Möglichkeit zum Abgriff des zum Steuern des Stromreglers erforderlichen Spannungsabfalls gegeben.

Wenn der Eingang des Meßverstärkers in Reihe mit einer kleinen Meßspannung, insbesondere einem Thermoelement, in die Brückendiagonale geschaltet ist, empfiehlt es sich, die Brückenwiderstände so zu bemessen, daß die Betriebsspannung der Brücke in derselben Größenordnung oder in der nächsthöheren Größenordnung wie die maximale Meßspannung liegt. Wenn beispielsweise ein Thermoelement für Temperaturen um 2000° C eine Spannung von 80 mV erzeugt, kann die Brückenspannung bei etwa 100 bis 200 mV liegen.

Insbesondere !':ann der Brückenkreis in zwei einander diagonal gegenüberliegenden Zweigen je einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen. Diese Widerstände haben für bestimmte Thermoelemente jeweils eine optimale Größe. Da die übrigen Widerstände des Brückenkreises die gleiche Größe haben müssen, ist damit der Gesamtwiderstand der Brücke und, bei vorgegebenem Strom auch die Brückenspannung festgelegt. Mit Hilfe der Erfindung lassen sich auch bei sehr kleinen Brückenströmen die temperaturabhängigen Kompensationswiderstände optimal auswählen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stromregler von einem Vergleicher gesteuert, der den Spannungsabfall am Vorwiderstand mit einer festen Bezugsspannung vergleicht. Der Vorwiderstand dient dann nicht nur zum Anheben des Spannungsniveaus der Brücke, sondern auch als Meßwiderstand zum Steuern des Stromreglers. Beispielsweise kann der Vergleicher ein Differenzverstärker sein.

Der Stromregler kann aus einem einfachen Transistor bestehen. Vorzugsweise verwendet man aber zwei Transistoren in Darlington-Schaltung, um eine möglichst widerstandsarme Reglung durchzuführen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Meßwertumformers und

Fig. 2 eine mehr ins Einzelne gehende Schaltung hiervon.

Es sind zwei Gleichspannungs-Versorgungsleitungen 1 und 2 vorhanden, die positives ( + ) und negatives ( —) Potential haben sollen. Diese beiden Leitungen können unmittelbar die beiden Leiter eines 2-Leiter-Fernmeßsystems darstellen. Sie können aber auch über irgendeinen Umformer (z. B. Oszillator und Transformator) mit einem solchen 2-Leiter-Fernmeßsystem verbunden sein. Die Spannung zwischen diesen beiden Leitungen 1 und 2 ist nicht stabilisiert. Ein Brückenkreis 3 ist mit seinem Anschlußpunkt A über einen Stromregler 4 in der Form eines Transistors TrI mit der Leitung 1 und mit seinem Anschlußpunkt B über einen Vorwiderstand Al mit der Leitung 2 verbunden. Der Brückenkreis hat zwei diagonal gegenüberliegende Zweige mit je einem festen Widerstand R2 und A3, einen dritten Zweig mit einem temperaturabhängigen Widerstand A4 und einen vierten Zweig, in welchem sich ein temperaturabhängiger Widerstand RS und ein fester Kompensationswiderstand R6 befinden. Der eine Diagonalpunkt C ist unmittelbar mit dem ersten Eingang eines Verstärkers 5, der andere Diagonalpunkt D ist über einen Meßfühler in Gestalt eines Thermoelements Th mit dem anderen Eingang dieses Verstärkers 5 verbunden. Dieser Verstärker ist mit seinen Anschlußleitungen 6 und 7 ebenfalls zwischen die Versorgungsleitungen 1 und 2 geschaltet. Der Verstärker 5 hat einen Ausgang, der einen in einer Leitung 8 liegenden Transistor ThIl steuert. Die Leitung führt von einem Punkt E zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand RS und dem Kompensationswiderstand R6 des Brückenkreises 3 zur Leitung 2.

Mit dem Anschlußpunkt B ist ein Eingang eines Vergleichers 9 verbunden, dessen anderer Eingang an einem Punkt F liegt, der auf einer festen Bezugsspannung U_r gegenüber der Versorgungsleitung 2 gehalten wird. Der Vergleicher steuert über eine Leitung 10 den Stromregler 4 derart, daß der Spannungsabfall Ul am Vorwiderstand Rl konstant und gleich der Bezugsspannung U_r ist. Diese Spannung ist so gewählt, daß der gesamte Brückenkreis 3 annähernd auf dem Niveau der Vorspannung der Eingänge des Verstärkers 5 liegt.

Dann ergibt sich die folgende Betriebsweise. Von dem über die Leitung 1 zufließenden Gesamtstrom / wird ein kleiner konstanter Teilstrom /1 zur Versorgung des Verstärkers 5 abgezweigt. Der Rest fließt über den Stromregler 4 und teilt sich im Punkt A in die Zweigströme I₂ und /₃ auf. Der Zweigstrom /_: wird im Punkt £ erneut aufgeteilt in einen Kompensationsstrom I₄ und einen Teilstrom /₅. Die beiden Ströme I₃ und I₅ vereinigen sich im Punkt B und fließen gemeinsam als Summenstrom /_ft über den Vorwiderstand JRl. Der Kompensationsstrom I₄ fließt über die Leitung 8 und den Transistor TrIl zur Versorgungsleitung 2. Durch Vereinigung des Kompensationsstromes /₄, des konstanten Brückenstromes /_h und des Versorgungsstromes /1 ergibt sich wieder der Gesamtstrom /.

Da der Versorgungsstrom I₁ praktisch konstant ist und der Summenstrom I_b mit Hilfe des Reglers 4 konstant gehalten wird, ergibt sich ein konstanter Stromanteil Z₁ + I₆, der bei unmittelbarem Anschluß an ein übliches 2-Leiter-System 4 mA betragen kann. Der veränderliche Anteil, der durch den Kompensationsstrom I₄ dargestellt wird, hängt von der Thermo-

spannung ab, die das Thermoelement Th abgibt. Der Brückenkreis 3 wird so angeglichen, daß für eine vorgegebene Bezugstemperatur die Diagonalspannung entgegengesetzt gleich der Thermospannung ist und daher der Verstärker 5 keinen Kompensationsstrom I₄ anfordert. Steigt die Temperatur, so erhält der Verstärker 5 eine entsprechende Eingangsspannung, die einen zugehörigen Kompensationsstrom J₄ hervorruft, der einem dieser Temperatur zugehörigen Gleichgewichtszustand entspricht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind für die gleichen Schaltungsteile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Im Brückenkreis ist zusätzlich ein Justierwiderstand Rl vorgesehen, mit dessen Hilfe eine Einstellung der Bezugstemperatur vorgenommen werden kann.

Der Vergleicher 9 ist ein Differenzverstärker mit zwei Transistoren TrI und 7>3, die einen gemeinsamen Emitter-Widerstand RS aufweisen. Die Basis des Transistors Tr2 ist mit dem Punkt B und die Basis des Transistors Tr 3 mit dem Punkt F verbunden. Mit Hilfe eines Transistors TrA und üblicher Widerstände R9, RIO, RU und einer Diode Dl wird der Stromregler 4 gesteuert. Dieser besteht hier aus zwei Transistoren TrS und 7>6, die in Darlington-Schaltung geschaltet sind.

Die Bezugsspannung am Punkt F wird mit Hilfe eines Spannungsteilers aus den Widerständen R12 und Äl3 erzeugt, die die Spannung an einer Zenerdiode Z abgreifen. Letztere liegt in Reihe mit einem Transistor TrI und einem Widerstand R14, die den Strom in der Leitung 6 konstant halten.

Der Meßverstärker 5 weist einen Wechselspannungsverstärker 11 auf, der ebenfalls von dem Spannungsabfall an der Zenerdiode Z versorgt wird. In die Verbindungsleitung zwischen dem Diagonalpunkt C

ίο und dem einen Eingang des Verstärkers 11 ist ein Feldeffekttransistor 7V8 gelegt. Ein zweiter Feldeffekttransistor Tr9 überbrückt die beiden Eingangsleitungen. Diese Transistoren werden durch einen Multivibrator 12 abwechselnd angesteuert, so daß das Gleichspannungs-Brückensignal in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Das Ausgangssignal des Wechselspannungsverstärkers 11 wird synchron-detektiert und in einem Filter 13 filtriert, das seinerseits über einen Transistor TrIO dem Kompensationsstrom in der Leitung 8 steuert.

Bei einem Ausführungsbeispiel stand zwischen den Versorgungsleitungen 1 und 2 eine Spannung von etwa 10 V zur Verfügung. Der Brückengesamtstrom I₆ betrug 50 μΑ. Die Widerstände waren so ausgelegt, daß die Brückenbetriebsspannung etwas mehr als 100 mV betrug und der Punkt B auf etwa 3 V angehoben war.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Meßverstärker vorgesehen ist und mit dem Brücken-Patentansprüche: kreis eine Widerstandsanordnung in Reihe liegt. Bei einem bekannten Meßwertumformer dieser Art

1. Meßwertumformer mit einem Kompensa- (»Control and Instrumentation«, Februar 1972, Seite tionsbrückenkreis, insbesondere für 2-Leiter- 5 34) ist als Meßfühler ein Thermoelement vorgesehen, Fernmeßsysteme, bei dem in die Brückendiago- das mit dem Eingang des Meßverstärkers in Reihe nale der Eingang eines Meßverstärkers geschaltet in die Brückendiagonale geschaltet ist. In Reihe mit ist, der einen Kompensationsstrom über einen dein Brückenkreis liegt auf der einen Seite ein Vorwi-Kompensationswiderstand des Brückenkreises (!erstand und auf der anderen Seite eine Temperaturfließen läßt, und bei dem eine gemeinsame 10 kompensations-Diode. Die Brückenspannung ist Gleichspannungsversorgung für Brückenkreis und durch eine Zenerdiode festgelegt. Der Meßverstärker Meßverstärker vorgesehen ist und mit dem Brük- ist als Chopper-Verstärker ausgebildet. Sein Auskenkreis eine Widerstandsanordnung in Reihe gangsstrom wird zusammen mit dem Brückenstrom liegt, dadurch gekennzeichnet, daß auf transformatorisch auf einen 2-Leiter-Meßkreis überder der Widerstandsanordnung (Rl) abgewand- 15 tragen. Der Kompensationswiderstand des Brückenten Seite des Brückenkreises (3) ein Stromregler kreises ist in einen Rückkopplungskreis einbezogen, (4) in die Reihenschaltung einbezogen ist, der dem der mit Hilfe transformatorischer Ankopplung einen Kompensationswiderstand (R6) benachbart ist, in dem Ausgangsstrom proportionalen Strom führt,
der vom Kompensationsstrom (/4) durchflösse- Bei dieser Schaltung sind zwei galvanisch voneinnen Schleife liegt und in Abhängigkeit vom Span- 20 ander getrennte Spannungsquellen, hier dargestellt nungsabfall (Ul) an einem Widerstand der Wi- durch Transformatoren, notwendig, um den Brückenderstandsanordnung derart gesteuert ist, daß strom und den Kompensationsstrom zu erzeugen, dieser Spannungsabfall konstant bleibt. Dies erfordert einen erhöhten Aufwand. Außerdem

2. Meßwertumformer nach Anspruch 1, da- ist die Betriebsspannung der Brücke infolge der Zedurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsan- 35 nerspannung verhältnismäßig groß. Da die Meßspanordnung lediglich aus einem Vorwiderstand (Rl) nung demgegenüber sehr klein ist, machen sich Störbesteht, der so bemessen ist, daß der Brückenkreis einflüsse im Brückenkreis, insbesondere thermische (3) durch den an ihm auftretenden konstanten Einflüsse, entsprechend stark bemerkbar.
Spannungsabfall (Ul) etwa auf das Niveau der Es ist ferner aus ATM, Blatt J 2402/3 April 1958, Vorspannung des Meßverstärkereingangs ange- 30 Seite 78, bekannt, eine Brückenschaltung mit konhoben ist. stantem Strom zu beschicken, der Diagonalspannung

3. Meßwertumformer nach Anspruch 1 oder 2, eine Thermospannung entgegenzuschalten und mitbei dem der Eingang des Meßverstärkers in Reihe tels der verbleibenden Temperaturdifferenz die Abmit einer kleinen Meßspannung, insbesondere ei- weichung vom Temperatur-Sollwert festzustellen. In nem Thermoelement, in die Brückendiagonale 35 zwei einander diagonal gegenüberliegende Brückengeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweige sind temperaturabhängige Widerstände einge-Brückenwiderstände (Rl bis Rl) so bemessen fügt, um Änderungen der Umgebungstemperatur zu sind, daß die Betriebsspannung der Brücke in der- kompensieren.

selben Größenordnung oder in der nächsthöheren Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Größenordnung wie die maximale Meßspannung 40 Meßwertumformer der eingangs beschriebenen Art

liegt. anzugeben, der eine höhere Genauigkeit hat und mit

4. Meßwertumformer nach Anspruch 3, da- einer einzigen Spannungsversorgung für den Brükdurch gekennzeichnet, daß der Brückenkreis (3) kenkreis und den Kompensationskreis auskommt,
in zwei einander diagonal gegenüberliegenden Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geZweigen je einen temperaturabhängigen Wider- 45 löst, daß auf der der Widerstandsanordnung abgestand (R4, RS) aufweist. wandten Seite des Brückenkreises ein Stromregler in

5. Meßwertumformer nach einem der Ansprü- die Reihenschaltung einbezogen ist, der dem Komche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pensationswiderstand benachbart ist, in der vom Stromregler (4) von einem Vergleicher (9) gesteu- Kompensationsstrom durchflossenen Schleife liegt ert ist, der den Spannungsabfall ( Ul) am Vorwi- 50 und in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an einem derstand (Rl) mit einer festen Bezugsspannung Widerstand der Widerstandsanordnung derart ge-( U_r) vergleicht. steuert ist, daß dieser Spannungsabfall konstant bleibt.

6. Meßwertumformer nach einem der Ansprü- Bei diesem Meßwertumformer sorgt der Stromregche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ler dafür, daß der den gesamten Brückenkreis durch-Stromregler (4) aus zwei Transistoren (TrS, 7V6) 55 fließende Brückenstrom einen gewünschten Wert hat. in Darlington-Schaltung besteht. Insbesondere kann er mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden. Ohne diese Regelaufgabe zu stören, wird auch der Kompensationsstrom über den Stromregler geführt, so daß Kompensationsstrom und

60 Brückenstrom von derselben Spannung betrieben

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertum- werden können. Da die Betriebsspannung der Brücke

former mit einem Kompensationsbrückenkreis, ins- nicht durch eine Zenerspannung festgelegt ist, kann

besondere für 2-Leiter-Fernmeßsysteme, bei dem in sie sehr klein gewählt werden. Dementsprechend ge-

die Brückendiagonale der Eingang eines Meßverstär- ring sind die insbesondere temperaturabhängigen

kers geschaltet ist, der einen Kompensationsstrom 65 Störeinflüsse, die immer in einem bestimmten Pro-

über einen Kompensationswiderstand des Brücken- zentsatz zur Brückenspannung stehen, so daß sich ge-

kreises fließen läßt, und bei dem eine gemeinsame nauere Meßresultate ergeben. Insbesondere braucht

Glejchspannungsversorgung für Brückenkreis und bei der Bemessung der Betriebsspannung der Brücke