DE1766284A1

DE1766284A1 - Temperatur-Strom-Wandlervorrichtung

Info

Publication number: DE1766284A1
Application number: DE19681766284
Authority: DE
Inventors: Barker George Edward
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1967-05-02
Filing date: 1968-04-30
Publication date: 1971-07-22
Also published as: BE714472A; FR1561727A; NL6806092A; GB1209703A; US3517556A

Description

PATENTANWXLTE DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN DR. M. KÖHLER DIPL.-ING. C GERNHARDT 1 7 D 6 2 0 4 MÜNCHEN HAMBURG TElEFONi 395314 2000 HAMBURG 50, TELEGRAMME: KARPATENT KDNIGSTRASSE 28

W. 13 659/68

Monsanto Company
St. Louis, Missouri (V.St.A.)

Temperatur-Strom-Wandlervorrichtung ™

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wandlervorrichtungen bzw. Übertragungsvorrichtungen zur Verwendung bei industrieller Verfahrenssteuerung, und inabesondere auf eine Pestkörper aufweisende elektronische lemperatur-Strom-Wandlerschaltung, die insbesondere für Einbau an einer entfernt liegenden Stelle angepaßt ist und lediglich zwei leiter zu ihrer Verbindung mit einem Steuerraum benötigt. Auf dem Gebiet, das sich mit elektronischen Steueranlagen für chemische Verfahren, Erdölverfahren und ähnliche Verfahren befaßt, bei welchem entfernt liegende Fühl- und Steuerstationen mit einem zentralen Steuerraum verbunden sind, ist es in großem Ausmaß erwünscht, eine zweikanalige oder zwei Drähte oder leiter aufweisende Verbindung zwischen den entfernt liegenden Feldstationen und dem feuerraum zu verwenden. Solche Zweileitersysteme erfordern, wenn sie mit

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bestehender handelsüblicher Ausrüstung wie Aufzeichnungsgeräten, Kontrollern und dgl. verwendet werden, nur geringfügige Abwandlung, wenn überhaupt eine Abwandlung erforderlich ist. Weiterhin haben sie das Bestreben, die Einbau- und Wartungskosten- und -arbeitsweisen bzw. -verfahren auf ein Minimum zurückzuführen» Außerdem ist es, wenn Verfahrenssteueranlagen ausgeklügelter werden und größere Stabilität und Genauigkeit erfordern, in großem Ausmaß erwünscht, das Zweileiterkonzept beizubehalten, welches seinen Eingang bei pneumatischen Steueranlagen gefunden hat.

Genaue Temperaturablesungen über große Strecken zu erhalten und dennoch das Zweileiterkonzept aufrechtzuerhalten, bietet verschiedene Probleme. Beispielsweise ist es nicht nur erforderlich, daß die Informationen über die Leiter gefördert werden, welche den Steuerraum und die Feldausrüstung verbinden, sondern es ist weiterhin erforderlich, daß die zum Erregen der Schaltung an der Feldstation erforderliche Energie über die gleichen Leiter zugeführt wird. Dies führt zu gewissen Strombegrenzungen an dem Stromkreisgestalter und erfordert Stromkreise bzw. Schaltungen, die elektrische Energie beibehalten. Bisher sind diese Probleme nicht wirtschaftlich überwunden worden.

In den meisten üblichen Feldablesungen der Temperatur werden gegenwärtig Thermoelemente verwendet, deren Signale, die einen außerordentlich niedrigen Spannungspegel haben, in Stromsignale an der Feldstation umgewandelt werden müssen,

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und zwar mittels großer teurer Wandler, die getrennte Leiter /··- für ihre Energie zufuhr en erfordern.

/ Der allgemeine Zweck der Erfindung besteht darin, eine

Temperatur-zu-Strom-Wsndlerschaltung, die für Feldeinbau ^; geeignet ist, zu schaffen, welche die Vorteile der bisher verwendeten Wandler aufweist, jedoch die vorbeschriebenen Nachteile hinsichtlich Größe, Kosten und Komplexität nicht besitzt.

Um dies zu erreichen, wird bei dem im Feld angeordneten Wandler gemäß der Erfindung ein resistiver Brückenstromkreis ™ verwendet, der von einer im wesentlichen konstanten Stromliefernden Energiezufuhr betrieben wird. Änderungen im Arbeiten des Brücksiromkreises werden durch einen Festkörper-Betriebsverstärker festgestellt, der seinerseits verwendet wird, um den Strompegel in den Leitern zu steuern, die Energie von dem Steuerraum zu dem im Feld angeordneten Wandler abgeben. Auf diese Weise ist in Informationssignal am Steuerraum geschaffen, welches die Temperaturänderungen anzeigt, die von dem Brückenstromkreis an der Feldstation fest- M gestellt werden.

Bei der Erfindung ist eine zentrale Station vorgesehen, die eine zwei Anschlüsse aufweisende Gleichspannungszufuhrquelle und eine Meßeinrichtung aufweist, die mit der Zufuhrquelle in Reihe geschaltet ist, um den Stromfluß darin anzuzeigen. Die /zentrale Station ist durch zwei Verbindungs-

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leiter mit einer entfernt liegenden Station verbunden. An der entfernt liegenden Station ist eine Festkörperschaltung vorgesehen, die zwei parallele Strompfade aufweist» welche ihren Strom von den Zufuhranschlüssen ableiten» an denen die Verbindungsleiter befestigt sind. Bin Strompfad umfaßt einen Temperaturfühlbrückenstromkreis und einen Stromkreis, um darin einen im wesentlichen konstanten Strom aufreohtEuerhalten. Der andere Strompfad umfaßt einen Energietransistor, welcher den Strom in den Verbindungsleitern in Übereinstimmung mit von dem Brückenstromkreis abgefühlten Temperaturänderungen regelt.

Mittels dieser Stromkreisanordnung «erden Temperaturänderungen in ein Stromsignal umgewandelt, das Über die gleichen Leiter, welche die Energie bu der entfernt liegenden Station zuführen, zu der zentralen Station zurückübertragen wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. t :

Fig. 1 ist eine, Blockdiagrammdarstellung der Te*pers/fcur-Strom-Wandlervorrichtung genfifi der Erfindung.

Fig. 2 ist ein ine Einzelne gehendes schematlechee Stroakreisdiagramm des Temperatur-Strom-Wandleretro»· kreises gemäß der Erfindung·

In Fig. 1 ist eine Temperatur-Strom-Wandlervorriohtung tO dargestellt, die einen zentralen Steuerraum 12 aufweist, 4«r mittels zweier Leiter 16 und 18 mit einer Feldetation 14

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verbunden ist. An dem zentralen Steuerraum 12 ist eine zwei .Anschlüsse aufweisende Gleichspannungazufuhrquelle vorgesehen, "beispielsweise die Batterie 20, deren positiver Anschluß über einen Strombegrenzungswiderstand 22 mit dem Leiter 16 verbunden ist. Der negative Anschluß der Batterie 20 ist an ein gemeinsames Bezugspotential geschaltet, beispielsweise Brdpotential, sowie über einen Belastungswideratand 24 mit dem Leiter 18 elektrisch gekoppelt. Ein Anaeigegerät 26 ist zwischen den Belastungswiderstand 24 und ^ Erdpotential geschaltet für den Zweck, die Größe des Stromsignals, das über den Belastungswiderstand 24 fließt, anzuzeigen.

An dem an der Peldstation 14 liegenden Ende jedes Verbindungsleiters 16 und 18 sind leldenergiezufuhranschlüsse 28 und 50 vorgesehen, die mit einer Temperatur-Strom-Wandlerschaltung 32 verbunden sind, die ihrerseits mittels Leiter 34 u£d 56 mit einem Temperaturfühlelement 58 verbunden ist.

Im Betrieb fühlt das Temperaturfühlelement 38 an der feldetation 14 eine Temperatur ab, die die Schaltung 32 ™

in ein entsprechendes Stromsignal umwandelt, welches von den !Leitern 16 und 18 zu dem zentralen Steuerraum 12 geführt wird, wo es durch das Anzeigegerät 26 aufgezeichnet oder dargestellt wird. Insbesondere wandelt das Temperaturfühl- •Xeaent 38 die Temperaturänderungen an der Peldstation 14 BU einem Spannungθsignal um. Paa Spannungssignal wird dann IU eine» Stroamignal umgewandelt, welohes über die Leiter

16 und 18 zu dem zentralen Steuerraum 12 zurückgeführt wird.

Ba iat zu bemerken, daß die-selben Leiter 16, 18 dazu verwendet werden, Energie von der Batterie·20 im zentralen Steuerraum 12 zu den Energiezufuhranachlüaaen 28, 30 der Feldatation 14 zu führen.

Bei vielen Anwendungen der Temperatur-Strom-Wandlervorrichtung 10 kann die Feldstation 14 in einer Entfernung von mehr als etwa 350 m (1000 Puß) von dem zentralen Steuerraum 12 angeordnet sein. Um die Brregungsenergie von dem zentralen Steuerraum 12 über aolche Entfernungen zuzuführen und ein Stromaignal zurückzuführen, daa genügende Größe oder Stärke hat, so daß ea genau gemeaaen werden kann (ohne Verwendung von Hilfaenerglezufuhren und dgl.), ist es erforderlich, an der Teldetation 14 eine elektronische Schaltung zu verwenden, die eine minimale Strommenge verbraucht. Die nachstehend zu beschreibende Schaltung erfüllt diesen Zweck und schafft weiterhin ein in hohem Ausmaß genaues temperaturanzeigendee Stroiaeignal.

In Tig. 2 ist in echematiacher Einzelanaicht die Temperatur-Strom-Wandler schal tung 32 einschließlich dea Temperaturfühl element es 38 dargestellt. Die Temperatur-Strom-Wandlerschaltung 32 besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, dem innerhalb der unterbrochenen Linie 40 enthaltenen TeIl₁ welcher der Energiezufuhrteil ist, und dem innerhalb der unterbrochenen Linie 42 enthaltenen Teil, der der TwnperatuxBeß- und Umwandlungateil ist.

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Der Meß- und Umwandlungsstromkreis 42 der Temperatur-Strom-Wandlerschaltung 32 "beateht im wesentlichen aus zwei Strompfaden, die ihren Strom einzig von den Feldstationenergiezufuhranschlüasen 28 und 50 ableiten. Der Energiezufuhranschluß 28 ist über eine Energiezufuhrschaltung gemäß nachstehender Beschreibung mit einem ein positives Potential aufweisenden Bezugeanschluß 50 gekoppelt. Ein Strompfad zwischen dem Bezugsanschluß 50 und dem Energiezufuhranschluß 30 umfaßt zwei Zweige eines Wheatstone¹sehen Brückenstromkreises (gebildet durch die Reihen-Widerstands-Potentio~ meterkombination eines Widerstandes R2, Potentiometers P1 und eines Widerstandes R1 Potentiometers P2), einen Leiter 52, den Kollektor-Emitter-Pfad eines Konstantstrom-Energiezufuhrtransistors Q6 und einen Präzisionswiderstand R6. Der andere Strompfad zwischen dem positiven Potentialbezugsanschluß 50 und dem Energiezufuhranachluß 50umfaßt einen Widerstand R5, den Kollektor-Emitter-Pfad eines Energiestuf entranaistors Q10 und einen Widerstand R9.

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Der Brückenstromkreis ist ein Widerstandsbrückenstromkreis, ([ bestehend aus zwei parallelen Widerstandszweigen, deren jeder von dem Bezugsanβchluß 50 abzweigt und zu einem beweglichen Schiebeanschluß des Potentiometers P1 konvergiert. Das heißt, ein Zweig umfaßt den Standardwiderstand R1, ein Fein-Nulleinstellpotentiometer P2 und einen Teil des Grob-Nulleinstellpotentiometers P1. Der andere Zweig des Brückenstromkreises umfaßt das Widerstandaftihlelement 38, vorzugsweise

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ein Platin-Kolbenfühlelement, und einen Teil dea Grob-Nulleinstellpotentiometers P1o

Ea ist eraichtlich, daß im wesentlichen der Brückenstromkreis den Potentialabfall an dem Fühlelement 38 mit dem Potentialabfall an dem Standardwiderstand R1 vergleicht. In ihrem ausgeglichenen Zustand achafft die Brücke keinen Spannungaunterschied an den Ausgangeanschltissen 46 und 48. Jedoch hat bei Auftreten von Temperaturänderungen der Potentialabfall an dem Fühlelement 38 das Bestreben, sich entsprechend zu ändern. Jedoch wird mittels eines nachstehend zu beschreibenden Funktionsverstärkers 58 ein Btickkopplungsstrom dem den Standardwiderstand R1 enthaltenden Zweig dee Brückenstromkreises zugeführt. Auf diese Weise wird die Brücke in ihren abgeglichenen Zustand gehalten und das Verstärkerausgangssignal, von welchem die Rückkopplung abgeleitet ist, nimmt einen neuen Wert an, welcher der Temperaturänderung entspricht.

Die Ausgangsanschlüsse 46 und 48 des Wheatstone¹sehen Brückenstromkreises sind durch Eingangsanpaßwiderstände R20 und R21 mit dem negativen (umkehrenden) und positiven (nicht umkehrenden) Eingangsanschluß 54 bzw. 56 eines Festkörperfunktionaveratärkera 58 verbunden. Der Punktionsverstärker 58 ist mit einem Auagangsanschluß 60 versehen, der mit der Basiselektrode eines pnp Transietore Q9 über einen Strombegrenzungswiderstand R3 verbunden iet.

Die Emitterelektrode des pnp Transistors Q9 ist mit dem Bezugsanschluß 50 über eine Reihenwideretandskombination

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gekoppelt, die ein Grob-Bereichseinstellpotentiometer 4 und ein Fein-Bereichseinstellpotentiometer P3 aufweist_o Der bewegliche Schieberanschluß des Grob~Bereichseinstellpotentiometers P4 ist mit dem negativen Eingangsanschluß des Punktionsverstärkers 58 über einen Rückkopplungswiderstand E4 gekoppelt, der mit dem Eingangsanpaßwiderstand R20 verbunden ist. Die Kollektorelektrode des pnp Transistors C9 ist mit der Basiselektrode eines npn Transistors Q10 direkt verbunden.

Die Kollektorelektrode des npn Transistors Q10 ist mit der Emitterelektrode des pnp Transistors Q9 direkt verbunden und weiterhin über einen Widerstand R5 mit dem Bezugsanschluß 50 gekoppelt. Die Emitterelektrode des npn Transistors Q10 ist mit dem ZufuhranSchluß 30 der Temperatur-Strom-Wandlerschaltung 32 über einen Widerstand R9 gekoppelt. Ea ist somit ersichtlich, daß das Transistorpaar Q9i Q10 zusammen als Ausgangsstromverstärkungsstufe für den Meßstromkreis 42 dient»

Eine Diode D1 ist vorgesehen, deren Kathodenelektrode mit dem Bezugsanschluß 50 ]£ verbunden ist. Die Anodenelektrode der Diode D1 ist mit dem positiven Energiezufuhranachluß 28 der Wandlerschaltung 32 über einen Strombegrenzungswiderstand B22 gekoppelt. Die Anodenelektrode ist weiterhin mit einem Widerstand R23 verbunden, der seinerseits mit einem beweglichen Arm eines doppelpoligen Einzelumschalters 62 ver bunden ist. Bin Kontaktanschluß 64 des Schalters 62 ist mit dem Eingangsanpaßwiderstand R20 des Verstärkers 58 verbunden,

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und der andere Kontaktanachluß 66 ist mit seinem Eingangsanpaßwiderstand R21 verbunden. Wie nachstehend im einzelnen beschrieben, ist die Diode D1 so ausgewählt, daß ein bekannter Temperaturkoeffizient und ein entsprechendes Vorwartsspannungasignal für den umkehrenden bzw. nichtumkehrenden Eingang 54 bzw. 56 des Verstärkers 58 geschaffen ist, um Spannungsversetzungen bzw. Spannungsabweichungen oder Temperaturabweichungen des Verstärkers 58 auszugleichen.

Der Energiezufuhrstromkreis 40 des Wandlers 32 umfaßt vier getrennte Bezugspotentialzufuhren, von denen drei sich auf ein zuverlässiges Potential beziehen, das von einer Präzisions-Zenerdiode D3 abgeleitet ist. Die vier Zufuhren, die erforderlich sind, sind ein positives Bezugssignal für Anlegen an den Brückenstromkreis und die Verstärkerstufe Q9 und Q10 (Transistoren), eine positive und eine negative Potentialzufuhr für den Pestkörperfunktionsverstärker 58 und eine genaue Konstantstromzufuhr für den Brüci^lromv

Die positive Zufuhr für den Verstärker 58 ist geschaffen durch direktes Verbinden des positiven Energiezufuhranschlusses 67 des Verstärkers 58 mit dem positiven Feldzufuhranschluß 28.

Das negative Bezugspotential für den Verstärker 58 wird wie folgt erhalten! Die Präzisions-Zenerdiode D3 des Energiezufuhrstromkreises 40 hat eine Anodenelektrode, die mit dem negativen Energiezufuhranschluß 30 verbunden ist, sowie eine Kathodenelektrode, die mit der Kathode einer üblichen

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Diode D4 verbunden ist. Die .Anode der Diode D4 ist über einen Strombegrenzungswiderstand RH mit dem positiven Zufuhranschluß 28 und weiterhin mit der -Basis eines npn Spannungsumkehrtransistors Q1 verbunden. Der Emitter des Transistors C1 iat mit dem negativen Anschluß 30 über einen Widerstand R17 verbunden, und sein Kollektor ist mit dem positiven Anschluß 28 über einen Spannungsteiler verbunden, der aus Widerstanden R11 und R13 besteht. Außerdem ist der Kollektor des Transistors Q1 mit der -^asis eines pnp Konäantstromtransistors Q2 direkt verbunden. Der Kollektor des Transistors % Q2 ist mit der Basis des T_ranai_stors Q1 über eine Zenerdiode D5 verbunden, die so gepolt ist, wie es dargestellt ist„

Der Emitter des Transistors Q2 ist mit dem Energiezufuhranschluß 28 über einen Spannungsteiler verbunden, der aus Widerstanden R12 und R19 besteht. Der Emitter des Transistors Q2 ist weiterhin mit dem negativen Anschluß 68 des Verstärkers 58 über einen Leiter 70 verbunden.

Ein Thermistor 72 ist für nachstehend zu beschreibenden Zweck mit dem Widerstand R19 parallel geschaltet. j

Das positive Bezu£spotential für den Anschluß 50 ist wie folgt geschaffen: Zwei npn Transistoren Q7 und Q8 sind vorgesehen, um ein übliches Darlington-Transistorpaar für Kopplung der Verbindungsstelle der Widerstände R11 und E13 mit dem Bezugsanschluß 50 zu bilden. Die Basis des Transistors Q7 ist mit der Verbindungsstelle der Spannungsteilerwiderstande R11 und R13 verbunden und sein Emitter ist mit

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der Basis des Transistors Q8 direkt verbunden. Die Kollektorelektroden der Transistoren Q7 und Q8 sind mit dem positiven Energiezufuhranschluß 28 über den Widerstand R10 verbunden. Der Emitter des Transistors Q8 ist mit dem Bezugsanschluß direkt verbunden.

Die Konstantstromzufuhr umfaßt zwei npn Transistoren Q3 und 04, die gemäß der Darstellung in gemeinsamer Differentialverstärkerschaltung angeordnet sind.

Ein zweites Paar von npn Transistoren Q5 und Q6 ist vorgesehen. Die Basis des Transistors Q5 ist mit dem Kollektor des Transistors Q4, und sein Emitter mit der Basis des Transistors Q6 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren Q5 und 06 sind mit dem Kollektor des Transistors Q10 durch einen linearitätsbestimmenden Widerstand R8 verbunden. Außerdem sind diese Kollektorelektroden über einen leiter mit dem beweglichen Schieber des Grob-Nulleinstellpotentiometers P1 verbunden. Der Emitter des Transistors Q6 ist mit dem negativen Energiezufuhranschluß 30 über den Präzisionswiderstand R6 verbunden.

Wenn die Verbindungsleiter 16 und 18 mit den Energiezufuhranschlüssen 28 und 30 der Feldstation 14 verbunden sind, wird Energie von der Batterie 20 des zentralen Raumes 12 der Energiezufuhrschaltung 40 an der Feldstation 14 zugeführt. Wenn den Anschlüssen 28 und 30 Energie zugeführt wird, wird der Präzisions-Zenerdiode D3 mittels eines Vorbelaatungsstromes (bleed current) von etwa 10 Mikroampere Startstrom

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zugeführt, der über den Widerstand R14 und die übliche Diode D4 fließt.

Bei Anlegen des Startstromes an die Präzisionsdiode D3 wird sie erregt und schafft ein im wesentlichen konstantes Potential von etwa 6,2 V an der Basiselektrode des Umkehrtransistors Q1. Das Potential an der Basiselektrode erzeugt einen proportionalen Stromfluß durch den Widerstand E17 und ein umgekehrtes Potential an der Kollektorelektrode. Auf diese Weise rufen die Spannungsteilerwiderstände R11 und R13 die gewünschten Bezugspotentiale an den Basen der Transistoren QJ und Q2 hervor. Der Wert des Widerstandes R11 ist so gewählt, daß das Potential an der -^asis des Transistors Q7 etwa 10,6 V weniger als das positive Potential beträgt, das an den Energiezufuhranachluß 28 angelegt ist, und der Wert des Widerstandes R13 ist so gewählt, daß das Bezugspotential an der Basis des Transistors Q2 um etwa 12,6 V niedriger als das Bezugspotential ist, das der Basis des Transistors Ql zugeführt ist. Das Anlegen dieses Bezugspotentials an die -^asis des Transistors Q2 schafft eine resultierende negative Spannung an der Emitterelektrode, die an den negativen Energiezufuhranschluß des Verstärkers 58 angelegt werden kann.

Im wesentlichen der gesamte Kollektorstrom des Konstantstromtransistors Q2 wird an den Reihendiodenzug, der die Zenerdiode D5, die übliche Diode D4 und die Präzisions-Zenerdlode D3 umfaßt, abgegeben (sehr wenig des Kollektor-

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stromes fließt über die Kollektorwiderstände H15 und R18 der Transistoren Q4 und Q3). Ea ist zu bemerken, daß der von dem Energiezufuhranschluß 28 dem positiven Energiezufuhranschluß des Verstärkers 58 zugeführte Strom von dem negativen Anschluß 68 zu der Emitterelektrode des Konatantstromtransistors Q2 fließt und damit über den Emitter-Kollektor-Pfad zu der Diodenkette, welche die Zenerdiode D3 umfaßt, Auf diese Weise erfüllt der Strom, der zum Betreib-en des Verstärkers 58 verwendet wird, tatsächlich zwei Aufgaben, d.h. er fließt über die Diodenkette, um zu dem erforderlichen Antriebsstrom für die Präziaionazenerdiode D3 beizutragen» Der verfügbare Strom, welcher der Feldatation 14 von der zentralen Steuerstation 12 zugeführt wird, wird dadurch beibehalten, so daß mehr Strom verfügbar ist, um die Brückenschaltung und die Ausgangsverstärkungsstufe der Wandlerschaltung 32 zu betreiben.

Der Darlington-Paarstromkreis, der durch die Transistoren Q7 und Q8 geachaffen ist, überträgt das an die Basiselektrode des Transistors Q7 angelegte Potential zu dem positiven Bezugszufuhranschluß 50. Außerdem bietet diese Anordnung der Transistoren Q7 und Q8 der Brückenaehaltung eine geringe Impedanz dar, so daß die Leimung dea Meßatromkreises 42 verbessert wird.

Die Konstantstromzufuhr arbeitet wie folgt: Eine positive Spannungszufuhr für den die Tranaistoren Q3 und Q4 enthaltenden Stromkreis ist durch die Zenerdiode D5 geschaffen. Die

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Zenerdiode D5 erzeugt eine geregelte Spannungszufuhr für die Kollektorwiderstände R15 und R18 des Differentialverstärkers des Transistorpaares Q3 und Q4. Das Transistorpaar Q3 und Q4 bildet einen Differentialverstärker, wobei die Basiselektrode des Transistors C3 mit dem konstanten Potential verbunden ist, welches durch die Zenerdiode -^3 geschaffen ist. Diese Spannung wird von dem Transistor Q3 an den Emitter des Transistors Q4 angelegt, wo sie als Bezugspotential für das Potential dient, das an die ^asis des Transistors Q4 angelegt ist. Der Ausgang des Differentialverstärkerpaares 0, Q4 ist ein Spannungssignal, das von der Kollektorelektrode des Transistors Q4 abgenommen ist. Dieses Signal verstärkt sich bzw. schwächt sich ab in Abhängigkeit von Spannungsänderungen, die das Bestreben haben, an dem Präzisionswiderstand R6 aufzutreten. Dieser Ausgeng wird verwendet, um den Darlington-Paarstromkreia, der aus den Transistoren Q5 und Q6 besteht, anzutreiben, so daß der Strom von der Emitterelektrode des Transistors Q6 abgegeben wird, um irgendeiner Spannungsänderung entgegenzuwirken, die das Bestreben hat, an dem Präzisionswiderstand R6 aufzutreten. Demgemäß wird an dem Widerstand R6 konstanter Strom aufrechterhalten. Das Nettoergebnis dieser Ruckkopplungsschleife, welche den Transistor Q4 und die Transistoren Q5 und Q6 umfaßt, besteht darin, daß die Kollektorelektrode des Transistors Q6 für den Brückenstromkreis einen im wesentlichen konstanten Strom schafft, der sowohl von Spannungsänderungen als auch von

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BAD ORiGtNAL

Widerstandsänderungen vollständig unabhängig ist.

Die gerade beschriebene Konstantstrom-Energiezufuhr liefert im wesentlichen konstanten Strom für den beweglichen Schieber des Grob-Nulleinstellpotentiometera P1 der Brückenschaltung mittels des Leiters 52_O Der Konstantstrom gewährleistet, daß Temper aturänderxmge*} welche die Widerstandswerte der Nulleinstellpotentiometer P1 und P2 beeinflussen, die Brücke nicht außer Gleichgewicht bringen und eine ungenaue Messung erzeugen, wie es der fall sein könnte, wenn eine Spannungszufuhr für den Betrieb der Brückenschaltung verwendet würde,

Anfänglich ist die Wandlerschaltung 32 dadurch geeicht, daß das Fühlelement 38 der minimalen zu messenden Temperatur ausgesetzt wird (oder einem dieser Temperatur entsprechenden bekannten Widerstand), wobei die Bereichseinstellpotentiometer P3 und P4 eingestellt sind, um minimale Rückkopplung zu schaffen, danach die Nulleinstellpotentiometer eingestellt werden, bia der Stromwert in den Leitern 16 und 18'einen gewiaaen gewünschten minimalen Wert oberhalb deajenigen Wertes zeigt, der zum Zuführen von Energie zu der Schaltung 32 erforderlich ist* Wenn beispielsweise 6 Milliampere für richtiges Vorspannen erforderlich sind, können 10 Milliampere für den gewünschten Strom bei der minimalen Temperatur gewählt werden. Danach wird das Fühlelement der maximalen zu messenden Temperatur ausgesetzt und die Bereichaeinatellpotentiometer werden einge-

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stellt, um einen Stromwert entsprechend dem Fünffachen des minimalen Stromes bzw. etwa 50 Milliampere zu schaffen. Dadurch wird dann der Standardstrombereich von 1 bis 5 für industrielle Meßausrüstung geschaffen» Die gerade beschriebene Arbeitsweise sollte mehrmals wiederholt werden, um einen außerordentlich genauen Bereich zu schaffen.

Nach der Eichung bewirkt irgendeine Änderung der zu ', messenden Temperatur eine Änderung des Widerstandes des Fühlelementes 38. Dies führt zu dem Bestreben, die Brücke außer Gleichgewicht zu bringen und ein Differentialeingangssignal an die Eingänge 54 und 56 des Festkörperfunktions- *" Verstärkers 58 anzulegen. Jedoch wirkt, wie es bekannt ist, \ der Verstärker 58 diesem Bestreben mittels der Rückkopplung von seinem Ausgang 60 zu seinem Eingangsanschluß 54 entgegen. Die Änderung im Ausgangssignal des Verstärkers 58, um dieses Wiederausgleichen des Briicken3tromkreises zu erreichen, ist mit der Verstärkerstufe gekoppelt, die aus den Transistoren Q9 und Q10 besteht, und zwar mittels des Widerstandes R3o Λ Auf diese Weise wird die iiusgangsspannung des Verstärkers an den Kollektorwiderstand R5 des Transistors Q10 angelegt, wobei ein entsprechender Stromfluß in dem Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors Q10 und des Widerstandes R9 erzeugt wird. Der Strom der über den Widerstand R9 fließt, wird an den Inergiezufuhranscbluß 30 angelegt, wodurch der Gleichstrompegel in den Verbindungsleitern 16 und 18 geändert wird. Wenn beiepielsweiae der anfänglich geeichte Temperaturbe-

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reich von 100 "bis 500° C geht und die Temperatur sich von einer anfänglichen Temperatur von 200 auf eine Temperatur von 300° C ändert, ändert aich der Strompegel von 20 Milliampere auf 30 Milliampere. Liese Änderung des Gleichstrompegels ist von der an die Leiter 16 und 18 angelegten Spannung unabhängig und wird von dem Anzeigegerät 26 an der zentralen Steuerstation 12 festgestellt.

Es ist gefunden worden, daß alle Platin-Kolbenthermometer bzw. Kugelthermometer bei Verwendung als fühlelement 38 eine nicht lineare Widerstands-Temperatur-Charakteristik zeigen. Es ist daher erwünscht, diese Nichtlinearitat zu kompensieren, um in hohem Ausmaß genaue Temperaturmessungen zu erhalten.

Die Wandlerschaltung 32 gemäß der Erfindung kompensiert die nicht lineare Charakteristik des aus einem Platinthermometer bestehenden Fühlelements 38 mittels einer dtromrückkopplungsschleife, welche den LinearitätsbestimKungswiderstand R8 umfaßt. Der Widerstand R8 koppelt ein Stromsignal zu der Kollektorelektrode des Transistors Q6 der Konstantstromzufuhrschaltung zurück. Da der ^tromfluß im Widerstand R6 der Konstantstromzufuhrschaltung gemäß vorstehender Beschreibung auf einem konstanten Wert gehalten wird, werden der Stromfluß im Leiter 52 und damit die Brückendchaltung in Übereinstimmung damit geändert.

Wird beispielsweise mit der Annahme begonnen, daß daa Fühlelement 38 in Form eines Platinthermometera eine nicht

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lineare Widerstands-Temperatur-Charakteristik derart hat, daß die tatsächliche Widerstandsänderung im Mit teil» er eich größer als diejenige ist, die von einem vollkommen linearen Widerstandsthermometer als Fühlelement erhalten ist, dann wird die AusgangS3pannung der Brückenanschlüsse 46, 48 proportional erhöht. Die Wirkung des Verstärkers 58, um das Gleichgewicht des Brückenstromkreises aufrechtzuerhalten, erzeugt dann ein imsgangssignal, welches die Verstärkerstufe derart regelt, daß ein abnormal großer Stromfluß an der Kollektorelektrode des Transistors Q10 erhalten wird. Der -

Lineariti.tsbestimmuneswiderstand R8 koppelt einen ausgewählten Teil dieses Stromes zu der Kollektorelektrode.des Transistors Q6 zurück, wodurch der Stromfluß im Leiter 52 und demgemäß der Stromfluß durch die Brückenschaltung verstärkt werden. Diese Verstärkung bzw. Vergrößerung des Stromflusses erzeugt eine kompensierende Nichtlinearität der .Ausgangsspannung an den Anschlüssen 46 und 48, und diese Nichtlinearitat ist der Nichtlinearität entgegengesetzt, die dem Platinthernometer 38 eigen.ist. Es ist gefunden worden, M daß durch richtige Auswahl oder Einstellung des Linearitätsbestimmungswiderstandes E8 der Linearitatsfehler des Platinthermometers 38 auf so niedrige Werte wie 0,03 i° für einen Temperaturbereich von 350° C verringert werden kann.

Eine andere Quelle eines Potentialfehlers ist die Versetzspannungsabweichung des besonderen iestkörperfunictionsverstärkers 58, der für die Y/andlerschaltung 32 ausgewählt ist.

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Solche Versetzspannungsabweichung ist den meisten handelsüblichen ^unktionsverstärkern integrierter Stromkreisgestaltung eigen. Bei der Erfindung wird die Versetzspannungsabweichung des Verstärkers 58 durch einen die Diode D1 enthaltenden Stromkreis kompensiert.

Die Diode D1 hat einen ihr innewohnenden Temperaturkoeffizienten; beispielsweise ist gefunden worden, daß ein Koeffizient von -2,2 Millivolt je Grad Celsius ein zufriedenstellendes Arbeiten ergibt. Die Diode D1 ist der gleichen Umgebungstemperatur wie der Verstärker 58 ausgesetzt. Auf diese Weise dient sie als Spannungsquelle zur Erzeugung eines ihrem Temperaturkoeffizienten entsprechenden Stromes, wobei der Strom weiterhin geeignet ist, die Versetzspannungsabweichung des Verstärkers 58 zu kompensieren. In der Schaltung gemäß Fig. 2 wird die an der Diode D1 so erzeugte Spannung zu einem Stromsignal durch einen Widerstand R23 umgewandelt und an entweder den umkehrenden Eingang 54 oder den nicht umkehrenden Eingang 56 des Verstärkers 58 über den Schalter 62 angelegt.

Wenn beispielsweise der Verstärker 58 einen positiven Temperaturkoeffizienten der Versetztemperaturabweichung aufweist, wird das Stromsignal an den umkehrenden Eingangsanschluß 54 angelegt. Wenn andererseits der Verstärker 58 einen £. negativen Temperaturkoeffizienten für Versetetemperaturabweichung aufweist, wird das Signal an den nicht umkehrenden Eingangsanschluß 56 angelegt.

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Λ ■:

Es ist gefunden worden, daß der Thermistor 72 vorteilhaft Stromänderungen im Leiter 70 kompensiert, und zwar zufolge der positiven Temperaturcharakteristiken von Widerständen des Verstärkers 58. Das heißt, der Thermistor 72, der eine negative Temperaturcharakteristik hat, versetzt irgendwelche Änderungen des Stromes im Leiter 70 zufolge von Temperaturänderungen des Verstärkers 58. Auf diese Weise wird der Strom von dem Verstärkeranschluß 58, der verwendet g wird, den Antrieb der Präzisionszenerdiode D3 zu unterstützen, im wesentlichen konstant gehalten und er beeinflußt das dadurch zugeführte grundsätzliche Bezugspotential nicht nachteilig.

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Claims

1. Temperatur-3trom-Wandlervorrichtung, die in einer entfernt liegenden Station angeordnet ist, die mit einer zentralen Steuerstation verwendet werden soll, die eine zwei Anschlüsse aufweisende Gleichspannungszufuhrquelle und eine Einrichtung aufweist, um die Größe des Stromflusses zwischen den beiden Anschlüssen der Zufuhrquelle anzuzeigen, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten parallelen Strompfad in der entfernt liegenden Station (14), die zwischen einem ersten (28) und einem zweiten (30) Zufuhrspannungsanschluß angeschlossen sind, eine Temperaturfühleinrichtung (38), die in den ersten Strompfad geschaltet ist, um ein elektrisches Ausgangssignal entsprechend von ihr angefühlten Temperaturänderungen zu schaffen, eine Steuereinrichtung, die in den zweiten Strompfad geschaltet ist, um den durch sie hindurchfließenden Strom bei Ansprechen auf das Ausgangssignal von der Temperaturfühleinrichtung zu ändern, und durch eine Einrichtung (16, 18), welche den ersten und den zweiten ZufuhrSpannungsanschluß der entfernt liegenden Station mit den beiden Anschlüssen der Zufuhrquelle an der zentralen Station (12) verbindet, so daß bei Temperaturänderungen an der entfernt liegenden Station die Temperaturfühleinrichtung bewirkt, daß in dem zweiten parallelen Strompfad ein entsprechendes Stromaignal fließt, das der zentralen Station zugeführt und durch die Anzeigeeinrichtung dargestellt wird.

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2. Y,andlervorrichtung nach ünspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Temperaturfühleinrichtung einen Brückenstromkreis mit zwei Zweigen, die von einem ersten Anschluß abzweigen und zu einem zweiten .Anschluß $50) konvergieren und von denen einer einen Standardwiderstand (E1) und der andere ein auf Temperatur ansprechendes klement (38) enthalt, und einen Funktionsversta'rker (5C) mit Eingangsanschlüssen (54, 56), die mit ^tromkreisstellen in dem ersten und dem zweiten Zweig der Brücke verbunden sind, wodurch ein Spannungssignal entsprechend dem Potentialunterschied zwischen dem Spannungsabfall an dem Standardwiderstand und dem Spannungsabfall an dem auf Temperatur ansprechenden Element empfangen wird, zusammen mit einem einen konstanten StrcE liefernden Kreis aufweist, um dem Brückenstromkreis im wesentlichen konstanten Strom zuzuführen.

3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das teinoeratureiirof indliche Element (3C) ein Platinwiderstand ist.

4. Wandlervorrichtung' nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konstanten Strom liefernde Stromkreiseinrichtung eine drei Anschlüsse aufweisende Einrichtung, die einen ersten Anschluß, welcher mit dem zweiten Anschluß des Brückenstromkreises verbunden ist, einen zweiten Anschluß, der mit dem zweiten Zufuhranschluß der entfernt liegenden Station (14) verbunden ist, umfaßt, und eine Stromkreiseinrichtung aufweist, die mit dem dritten Anschluß

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der drei Anschlüsse aufweisenden Einrichtung elektrisch verbunden ist, um den Stromfluß durch die ersten und zweiten Anschlüsse im wesentlichen konstant zu halten»

5. Wandlervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem dritten Anschluß der drei Anschlüsse aufweisenden Einrichtung verbundene Stromkreiseinrichtung eine Quelle eines Vorspannpotentials, eine Quelle von im wesentlichen konstanten Potential , und einen ersten und einen zweiten Transistor aufweist, deren Emitterelektroden mit dem zweiten Zufuhranschluß der entfernt liegenden Station mittels eines gemeinsamen Emitterwiderstandes verbunden sind, wobei die Basiselektrode des ersten Transistors mit dem zweiten Anschluß der drei Anschlüsse aufweisenden Einrichtung, und die Basiselektrode des zweiten Transietors mit der Quelle konstanten Potentials verbunden ist und die Kollektorelektroden der Transistoren mit der Vorspannpotentialquelle über betreffende Kollektorwidersttinde verbunden sind und der Kollektor des ersten Transistors weiterhin mit dem dritten Anschluß der drei Anschlüsse aufweisenden Einrichtung elektrisch gekoppelt ist.

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