DE3510737C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stabi­ lisierung von Strömen und zur Verstärkung von Spannungen in Meßumformern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches. Eine solche Schaltungsanordnung wird in der Meß- und Automatisierungstechnik angewendet.

Mit dieser Schaltungsanordnung können alle elektrischen Fühler­ ausgangssignale - Ströme, Spannungen, Widerstände - in ein elektrisches Einheitssignal umgeformt und verstärkt werden. Die Erfindung ist vorteilhaft in 2- und 4-Leitermeßumformern, die in den Anschlußraum des Fühlerkopfes eingebaut werden, so­ genannten Fühlerkopftransmittern, einsetzbar.

Es können alle in der Automatisierungstechnik üblichen Fühler, die die zu messende nichtelektrische Größe in ein elek­ trisches Signal umsetzen, insbesondere zur Temperaturmessung, angeschlossen werden.

In allen bisher bekannten Meßumformerschaltungen werden zur Meßbereichsanpassung oder zur Widerstandsspannungswandlung Brückenschaltungen, allgemein als Eingangsschaltung bezeichnet, eingesetzt, die entweder als Vollbrücke, Halbbrücke bzw. Spannungsteiler ausgelegt sind.

So ist z. B. eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches zur Stabilisierung von Strömen in Meßumformern aus der DD-PS 1 59 279 bekannt, bei der es je­ doch, auch unter Nutzung von Schaltungsintegrationsverfahren, große Probleme gibt. Durch die schaltungstechnische Aufteilung in einzelne Funktions­ gruppen wie Doppelstromquelle, Referenzelement, Mittenspannungs­ erzeugung, Meßbereichsschaltung und Verstärker müssen unterschied­ liche Technologien in die Schaltungintegration einbezogen werden. Die Anzahl der einzelnen Bauelemente mit Sonderbe­ dingungen ist sehr hoch. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch das definier­ te 4 bis 20 _m A-Einheitssignal in den einzelnen Funktions­ gruppen unterschiedliche Leistungen umgesetzt werden.

Besonders in der Mittenspannungserzeugung wird durch das an­ steuerungsabhängige 0 bis 16 mA-Signal eine ansteuerungsab­ hängige Erwärmung wirksam, so daß im Gesamtschaltkreis Drift­ probleme zu erwarten sind.

Dieser Nachteil ist nur zu beseitigen, wenn die Schaltungs­ anordnung ohne Mittenspannungserzeugung realisiert wird. Da­ durch ist allerdings der Einsatz von Operationsverstärkern zur Verstärkung des Meßsignals unmöglich, was dann wiederum als Nachteil zu werten ist. Nachteilig bei der erwähnten Aus­ führung ist auch, daß durch Referenzelement und Mittenspannungs­ erzeugung Querstromverluste für die Meßbereichsschaltung oder Meßschaltung auf­ treten und dadurch nicht der gesamte 4 mA Grundstrom in der Meßbereichsschaltung zur Anpassung der Fühlersignale zur Ver­ fügung steht. Speziell für Widerstandsspannungswandlungen (beispielsweise Widerstandsthermometer als Fühler) in der Meß­ bereichsschaltung wird somit das zu verstärkende Spannungs­ signal verringert.

In der DD-PS 1 35 303 wird eine Vereinigung von aktiven Ele­ menten und Meßbereichsschaltung vorgeschlagen. Hier wird in Form einer aktiven Brückenschaltung eine Meßbereichsanpassung vorgenommen. Die Temperaturstabilität der Anordnung wird durch den Stromspiegel und damit durch die beiden Basis-Emitter- Strecken bestimmt.

Obwohl in dieser Patentschrift die Temperaturstabilität als ausreichend angegeben wird, und es sich um aktive Stromquellen handelt, wirkt diese Anordnung auf die meßbereichsbestimmenden Widerstände nur passiv, d. h. also, der eingespeiste Strom er­ zeugt lediglich einen Spannungsabfall, der separat verarbeitet werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Strömen und zur Ver­ stärkung von Spannungen in Meßumformern der eingangs genannten Art mit Einheitssignalaus­ gang zu schaffen, die den Aufbau eines miniaturisierten Meß­ umformers mit höherer Zuverlässigkeit ermöglicht, dabei die aussteuerungsabhängige Erwärmung der Schaltung minimiert und einen 4 mA-Grundstrom mit verminderten Stromverlusten in die Meßschaltung einzu­ speisen gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches dazu angegebenen Merkmale gelöst.

Es soll eine an sich bekannte Meßschaltung, bestehend aus zwei Zweigen, deren erster Zweig einen Meßwiderstand und deren zweiter Zweig einen Kompensationswiderstand enthält, verwendet werden. In der Meßschaltung erfolgt die Anpassung des Stroms durch den Kompensationswiderstand an den veränderlichen Strom durch den Meßwiderstand entsprechend der bekannten Funktions­ weise zur Herstellung des Brückengleichgewichts in der Meß­ schaltung. Bekannterweise weist die Schaltungsordnung weiterhin eine Doppelstromquelle und eine erste Stromspiegelschaltung, welche aus zwei Transistoren besteht, wobei der zweite Tran­ sistor einen Basis-Kollektor-Kurzschluß besitzt, auf.

Die Doppelstromquelle erzeugt aus dem die gesamte Schaltungs­ anordnung versorgenden 4-mA-Grundstrom zwei Ströme.

Die erfindungsgemäße Ausführung erlaubt einen multivalenten Einsatz. Es können alle in der Automatisierungstechnik zur Zeit eingesetzten Meßfühler speziell in der Temperaturmeßtechnik an­ geschlossen werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierbei zeigt

Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 Ausgestaltung der Meßschaltung,

Fig. 3 Möglichkeiten für Verarbeitung von Meßwiderständen in 4-Leitertechnik bzw. Ferngebern.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einer Doppelstromquelle 1, zwei Stromspiegel­ schaltungen, die aus je zwei Transistoren 2, 3 und 4, 5 gebildet werden, wobei die beiden Transistoren 4 und 5 mit einer Meß­ schaltung 6 verbunden sind, in die eine Endstufe 7 einen Strom einspeist. Der zweite Transistor 3 der ersten Stromspiegelschaltung sowie der erste Transistor 4 der zweiten Stromspiegelschaltung weisen einen Basis-Kollektor-Kurzschluß auf, wobei letzterer auf der ent­ gegengesetzten Seite des Transistors 3 angeordnet ist.

Die Endstufe 7 ist zur Ansteuerung mit dem Kollektor des ersten Transis­ tors 2 der ersten Stromspiegelschaltung verbunden.

Erfolgt in der Meßschaltung 6 eine Fühlersignaländerung, d. h. Meßwiderstand 8 ändert seinen Wert, wird über den Emitter des ersten Transistors 2 der ersten Stromspiegelschaltung die Ge­ samtschaltung angesteuert. Die Doppelstromquelle 1 übernimmt hierbei neben der notwendigen Speisung der Meßschaltung 6 die Aufgabe eines hochohmigen Lastwiderstandes, so daß im Zusammen­ wirken mit den beiden Stromspiegelschaltungen ein Spannungs­ verstärker mit sehr hoher Leerlaufverstärkung entsteht. Über die Endstufe 7 und den Kompensationswiderstand 10 wird das Potential der beiden Emitter der ersten Stromspiegelschaltung auf gleiches Potential gebracht, außer einem durch die Leer­ laufverstärkung bestimmten Restbetrag. Somit stellt der Strom durch den Kompensationswiderstand 10 ein Maß für die Fühlersignal­ änderung dar, da dieser Strom das Äquivalent für den veränderten Stromfluß durch den Meßwiderstand 8 ist und das Brückengleich­ gewicht in der Meßschaltung 6 wieder herstellt.

Fig. 2 zeigt die mögliche Ausgestaltung der Meßschaltung 6 mit Meßwiderstand 8, Nullpunktunterdrückungswiderstand 9 und Kompensationswiderstand 10, wie sie aus der DD-PS 135 305 bekannt ist.

In Fig. 3 wird dargestellt, wie Meßwiderstand 8 über Leitungs­ widerstände 11 in die zweite Stromspiegelschaltung der Transis­ toren 4 und 5 eingekoppelt werden kann. Aus einer Doppelstrom­ quelle, deren Aufbau aus der DD-PS 1 59 279 bekannt ist, wird die erste Stromspiegelschaltung, die aus den Transistoren 2 und 3 besteht, gespeist, wobei der Transistor 3 den Basis- Kollektor-Kurzschluß aufweist. In die Emitterleitungen ist die zweite Stromspiegelschaltung geschaltet, wobei hier der Transistor 4 den Basis-Kollektor-Kurzschluß auf der entgegen­ gesetzten Seite gegenüber der ersten Stromspiegelschaltung auf­ weist.

Durch diese Maßnahme wird eine Basisstromkorrektur des Transis­ tors 2 durch Transistor 5 vorgenommen, so daß in den Emitter­ leitungen der Transistoren 4 und 5 wieder genau die Ströme der Doppelstromquelle 1 fließen. Der Emitterstrom des Transistors 4 wird in den Meßwiderstand 8 eingespeist. Die Einspeisung des Emitterstroms des Transistors 5 erfolgt in den Nullpunktunter­ drückungswiderstand 9 und in den Kompensationswiderstand 10. Der Meßbereichsanfang wird durch den Nullpunktunterdrückungs­ widerstand 9 festgelegt. Bei beginnender Aussteuerung durch den Meßwiderstand 8 (Vergrößerung des Widerstandes) verkleinert der Transistor 5 sein Kollektorpotential und somit vergrößert der Transistor 2 sein Kollektorpotential. Durch die Doppelstrom­ quelle 1 arbeiten die Transistoren auf dynamisch hochohmige Kollektorwiderstände und erreichen somit hohe Spannungsver­ stärkungen. Durch die Endstufe 7 wird ein Kompensationsstrom erzeugt, der am Kompensationswiderstand 10 einen Spannungsab­ fall erzeugt, der äquivalent zur Widerstandsänderung des Meß­ widerstandes 8 multipliziert mit dem Strom der Doppelstromquelle 1 ist und somit als Einheitsstromsignal übertragen werden kann.

Die Doppelanordnung der Stromspiegelschaltungen dient zur Temperaturkompensation der Basisströme und der Basis-Emitter- Spannungen.

Eine Potentialänderung des Emitters am Transistor 4 kann auch durch einen Festwiderstand anstelle des Meßwiderstandes 8 erreicht werden, wobei dann Ströme in Einheitsstromsignale ge­ wandelt werden können.

Ebenso kann die Potentialänderung am Emitter des Transistors 4 durch eine Spannungsspeisung in Reihe zu einem Festwiderstand anstelle des Meßwiderstandes 8 erreicht werden, so daß Spannungen ebenfalls in Einheitsstromsignale gewandelt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstelle des Meßwider­ standes 8 einen Festwiderstand einzusetzen und in die Verbindung der Basisleitung vom Transistor 4 zum Transistor 5 eine Spannungs­ quelle einzuschalten, die das Basispotential des Transistors 5 beeinflußt und somit einen Kompensationsstrom in bereits beschrie­ bener Weise erzeugt, der dann wiederum als Einheitsstromsignal übertragen werden kann.

Unter Beibehaltung des erfindungsgemäßen Prinzips besteht speziell für die Verarbeitung von Meßwiderständen in 4-Leitertechnik oder Ferngebern die Möglichkeit, gemäß Fig. 3 den Meßwiderstand 8 über Leitungswiderstände 11 in die Stromspiegelschaltung der Transis­ toren 4 und 5 einzukoppeln.

Bei gleichartigen Transistoren 2; 3; 4 und 5 fließen durch die Leitungswiderstände 11 nur um die Stromverstärkung verkleinerte Ströme, deren Wirkung sich kompensiert und keinen Meßfehler ver­ ursacht.

Der Leitungswiderstand 11 in der Emitterleitung von Transistor 2 wird durch die Spannungsverstärkung des Transistors 5 kompensiert. Der Leitungswiderstand 11 in der Kollektorleitung von Transistor 4 wird durch die Spannungsverstärkung des Transistors 4 ebenfalls kompensiert.

Die verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ermöglichen den Anschluß des damit aufgebauten Meßumformers an alle in der Automatisierungstechnik gebräuchlichen Meßfühler.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Strömen und zur Ver­ stärkung von Spannungen in Meßumformern, bestehend aus einer Doppelstromquelle, einer ersten Stromspiegelschaltung, einer Meßschaltung mit zwei Zweigen, deren erster Zweig einen Meß­ widerstand enthält und deren zweiter Zweig einen Kompensations­ widerstand beinhaltet, wobei die erste Stromspiegelschaltung zwei Transistoren enthält und der zweite Transistor einen Basis- Kollektor-Kurzschluß aufweist, gekennzeichnet dadurch,
   daß die Doppelstromquelle (1) zwei Ströme in die Kollektoren der beiden Transistoren (2, 3) der ersten Stromspiegelschaltung einspeist,
   daß der Emitter des ersten Transistors (2) der ersten Strom­ spiegelschaltung mit dem Kollektor eines ersten Transistors (4) einer zweiten Stromspiegelschaltung verbunden ist,
   daß der Emitter des zweiten Transistors (3) der ersten Strom­ spiegelschaltung mit dem Kollektor des zweiten Transistors (5) der zweiten Stromspiegelschaltung verbunden ist,
   daß der erste Transistor (4) der zweiten Stromspiegelschaltung einen Basis-Kollektor-Kurzschluß aufweist,
   daß der Emitter des zweiten Transistors (5) der zweiten Strom­ spiegelschaltung an den zweiten Zweig der Meßschaltung (6) ge­ schaltet ist,
   daß der Emitter des ersten Transistors (4) der zweiten Strom­ spiegelschaltung mit dem Meßwiderstand (8) im ersten Zweig der Meßschaltung (6) verbunden ist und
   daß eine Endstufe (7) zwecks Erzeugung eines Kompensationsstroms zur Einspeisung in den Kompensationswiderstand (10) der Meß­ schaltung (6) mit dem Kollektor des ersten Transistors (2) der ersten Stromspiegelschaltung verbunden ist.