DE3830384A1 - Vorrichtung zur kontaktlosen messwertuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Meßwertübertragung von einem drehbaren auf ein feststehendes Maschinenteil gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1, wie sie insbesondere zur Temperaturmessung an und zur Temperaturregelung von Heizgaletten vorteilhaft eingesetzt werden kann.

Eine solche Vorrichtung ist aus DE-PS 29 49 075 bekannt.

Vielfach besteht das Bedürfnis, nicht nur einen sondern mehrere Meßwerte zu übertragen, beispielsweise dann, wenn die Galettentemperatur nicht nur an einer Stelle sondern an mehreren längs der Galettenachse verteilten Stellen gemessen werden soll. Für diese Zwecke ist aus DE-PS 36 21 397 eine Heizgalette mit Meßwertübertragung von mehreren temperaturabhängigen Widerständen bekannt, die mit Hilfe eines mitrotierenden Scanners abgefragt werden. Für die Übertragung sind nicht weniger als drei getrennte Übertrager erforderlich, nämlich ein erster für die Stromversorgung des rotierenden Meßwertumformers, ein zweiter zur Übertragung der Temperatursignale auf den feststehenden Teil und ein dritter zum Synchronisieren des rotierenden Scanners durch einen feststehenden Impulsgeber. Auf dem rotierenden Teil wird ein Spannungskonstanthalter benötigt, der für die Meßwiderstände einen absolut konstanten Versorgungsstrom liefern muß, wenn die gewünschten Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden sollen.

Ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kontaktlosen Mehrfach-Meßwertübertrager zu schaffen, der einfach und platzsparend aufgebaut ist, aber gleichwohl zuverlässig und genau arbeitet. Dies gelingt mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß für Energieübertragung, Meßwertübertragung und Synchronisierung nur ein einziger Drehtransformator benötigt wird. Damit wird einerseits wesentlich weniger Platz beansprucht als bei der bekannten Mehrfach- Übertragungsvorrichtung. Andererseits vermindert sich der Schaltungsaufwand, insbesondere weil auf dem rotierenden Teil kein Spannungskonstanthalter benötigt wird. Zwischen dem feststehenden Teil des Drehtransformators und der Auswerteschaltung wird nur eine zweiadrige, vorzugsweise als Koaxialkabel ausgebildete Leitung benötigt. Schließlich führt die Verwendung erprobter, in integrierter Schaltungstechnik verfügbarer Baugruppen, wie Zähler, Multiplexer und dergl. zu einem kompakten und äußerst zuverlässigen Schaltungsaufbau. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert, wobei die der Erläuterung der Wirkungsweise dienenden Fig. 2 bis 4 im wesentlichen den Fig. 3 bis 5 der DE-PS 29 49 075 entsprechen. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Meßwert­ übertragungsvorrichtung;

Fig. 2a bis 2c Signalverläufe zur Erläuterung der Kompensation des Einflusses von Versorgungsspannungs- oder Frequenzschwankungen auf die Funktion des rotierenden Meßwertumformers;

Fig. 3a bis 3c entsprechende Signalverläufe zur Erläuterung der Verhältnisse in der feststehenden Auswerteschaltung;

Fig. 4 Signalverläufe an verschiedenen Schaltungspunkten der Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Übertragungsvorrichtung besteht aus einem auf dem rotierenden Maschinenteil angeordneten und mit diesem umlaufenden Meßwertumformer 100 und einer auf dem feststehenden Maschinenteil vorgesehenen und somit stationären Auswerteschaltung 200, die über einen einzigen Drehtransformator 10 miteinander gekoppelt sind. Dieser ist beispielsweise derart ausgelegt, daß er eine Spannung von 10 V und Frequenzen bis zu 1 MHz verzerrungsfrei übertragen kann.

Zur Stromversorgung des Meßwertumformers 100 erzeugt ein HF-Generator 22 in der Auswerteschaltung 200 ein Wechselspannungssignal von z. B. 1 MHz mit beliebiger Kurvenform und speist diese über ein Koaxialkabel 34 in die Primärwicklung 10 a des Drehtransformators 10 ein. An dessen Sekundärwicklung 10 b ist eine Gleichrichterschaltung, bestehend aus einer Diode 11 und einem Kondensator 12, angeschlossen, die eine ungeregelte Betriebsspannung +U _B von etwa 10 V ± 2 V entstehen läßt. Mit dieser nicht stabilisierten Betriebsspannung U _B werden die aktiven Schaltkreise des Meßwertumformers 100 und über die Brückenwiderstände R _{Br 1} bis R _{Br 8} die temperaturabhängigen Widerstände F 1 bis F 8 gespeist. Diese werden über einen 8fach-Multiplexer 103 nacheinander an den nicht-invertierenden Eingang (+) eines als Vergleicher arbeitenden Differenzverstärkers 15 angeschlossen. Sein Ausgang liegt am Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators 16, der ein Rückstellsignal an den Rückstelleingang R eines Zählers 17 liefert. Der Zähleingang des Zählers 17 ist mit der Sekundärwicklung 10 b des Drehtransformators 10 verbunden, so daß der Zähler 17 nach dem Rücksetzen jeweils eine vorgegebene Anzahl, z. B. 64 Impulse des übertragenen 1 MHz-Signal zählt und danach bis zum Eintreffen des nächsten Rückstellimpulses anhält. Der Ausgang des Zählers 17 steht über die Reihenschaltung eines Widerstands 19 und eines Kondensators 18 mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung 10 b in Verbindung, die zugleich das Bezugspotential für die Betriebsspannung U _B bildet. Am Verbindungspunkt von Widerstand 19 und Kondensator 18 erzeugt dieses Siebglied ein Analogsignal entsprechend dem arithmetischen Mittelwert der Zählerausgangsimpulse, das somit am invertierenden Eingang (-) des Differenzverstärkers 15 steht. Der Verstärker 5 vergleicht also diesen Mittelwert mit der durch den jeweils eingeschalteten temperaturabhängigen Widerstand F 1 bis F 8 erzeugten temperaturabhängigen Meßspannung. Diese Schaltungsanordnung ist insofern selbstabgleichend, als durch den Differenzverstärker 15 und den nachgeschalteten spannungsgesteuerten Oszillator 16 das Rückstellsignal für den Zähler 17 zeitlich immer so abgegeben wird, daß die Differenzspannung an den Eingängen des Verstärkers 15 verschwindet. Erst dann wird nämlich die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 16 nicht mehr verändert.

Das Rückstellsignal am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 16 gelangt ferner an die Basis eines über eine Diode 21 der Sekundärwicklung 10 b parallelgeschalteten Transistors 20. Bei jedem Rückstellimpuls wird somit die Sekundärwicklung 10 b über den Transistor 20 kurzgeschlossen. Der Fortschaltung des Multiplexers 103 dient ein ebenfalls mit den 1 MHz-Impulsen aus der Sekundärwicklung 10 b angesteuerter weiterer Zähler 101, der nach jeweils gleichen Zeitintervallen von beispielsweise 0,2 s das Bitmuster an seinen Ausgängen Q _n bis Q _{n + 2} ändert und somit die Meßwerteingänge des Multiplexers 103 nacheinander adressiert und den betreffenden temperaturabhängigen Meßwiderstand F 1 . . . F 8 mit der Leitung 104 zum nicht-invertierenden Eingang (+) des Verstärkers 15 verbindet. Bei jedem Anschluß eines der Meßwiderstände findet die zuvor beschriebene Umsetzung der analogen Meßspannung in eine diesem Spannungswert zugeordnete Frequenz des Oszillators 16 statt. Mit dieser Frequenz wird einerseits der Zähler 17 zurückgestellt und andererseits die Sekundärwicklung 10 b kurzgeschlossen. Das Kurzschließen der Sekundärwicklung induziert in der Primärwicklung 10 a Impulse die im Rhythmus der Rückstellsignale für den Zähler 17 auftreten. Man erhält also an der Primärwicklung eine Impulsfolge mit der jeweiligen Frequenz des Oszillators 16, so daß der Auswerteschaltung 200 eine die gemessene Temperatur kennzeichnende Frequenz zugeführt wird. Diese wird über einen Stromwandler 23 zur weiteren Auswertung ausgekoppelt.

Die an der Sekundärwicklung 23 b des Stromwandlers 23 stehenden Impulse, deren Frequenz derjenigen der Rückstellimpulse entspricht, werden von einer Diode 24 gleichgerichtet, und diese Gleichspannung wird durch einen Kondensator 25 geglättet. Dieses Gleichspannungssignal am Kondensator 25 speist einerseits einen Spannungsteiler 28, 29, an dessen Abgriff C der nicht-invertierende Eingang (+) eines als Vergleicher wirkenden Differenzverstärkers 30 angeschlossen ist. Dem Kondensator 25 ist andererseits die Reihenschaltung eines Widerstandes 26 und eines Kondensators 27 parallelgeschaltet, deren Abgriff B am invertierenden Eingang (-) des Differenzverstärkers 30 liegt. Am Abgriff C steht somit das gleichgerichtete Spannungssignal unmittelbar an, während am Abgriff B der Mittelwert des gleichgerichteten Spannungssignals abgenommen wird. Aus Fig. 4 ist folgende Arbeitsweise erkennbar: Immer wenn durch den Drehtransformator 10 der Rückstellimpuls des Meßwertumformers 100 durch Kurzschluß der Sekundärwicklung 10 b auf die Primärseite übertragen wird, übersteigt der gewandelte Stromimpuls C am nicht-invertierenden Eingang (+) des Differenzverstärkers 30 den am invertierenden Eingang stehenden Mittelwert B, so daß der Differenzverstärker an seinem Ausgang D einen Rückstellimpuls für einen Zähler 31 erzeugt. Der Zähleingang A dieses Zählers erhält vom HF- Generator 22 die 1 MHz-Impulsfolge. Auch dieser Zähler ist derart beschaltet, daß er eine bestimmte Anzahl von beispielsweise 64 Impulsen zählt. Er wird im Gegensatz zum Zähler 17 des Meßwertumformers 100 mit einer stabilisierten Betriebsgleichspannung U _STAB betrieben, deren Erzeugung im feststehenden Maschinenteil keine Schwierigkeiten bereitet. Die Impulse am Ausgang E des Zählers 31 werden durch ein zwischen Zählerausgang E und Bezugspotential eingeschaltetes RC-Siebglied, bestehend aus Widerstand 32 und Kondensator 33, geglättet, d. h. es wird der analoge Mittelwert der Ausgangsimpulsfolge des Zählers 31 gebildet und am Ausgang F des Siebglieds 32, 33 als von der gemessenen Temperatur abhängige Spannung U _T zur Verfügung gestellt.

Da der Zähler 31 in der Auswerteschaltung mit einer stabilisierten Versorgungsspannung betrieben wird, liefert er Ausgangsimpulse gleichbleibender Amplitude. Der Mittelwert der Ausgangsimpulsfolge hängt folglich nur von deren Frequenz ab. Der Zäher 17 im Meßwertumformer 100 hingegen wird mit einer nicht stabilisierten Spannung betrieben, so daß dort der Mittelwert des Ausgangssignals sowohl von der Frequenz der Rückstellimpulse als auch von der Höhe der Betriebsspannung +U _B ab. Für beide Zähler 17 und 31 werden Zählerbausteine verwendet, deren Ausgangsamplitude durch die jeweils angelegte Betriebsspannung vorgegeben ist. C-MOS-Zähler haben diese Eigenschaft.

Da der Multiplexer 103 nacheinander verschiedene Meßwiderstände F 1 bis F 8 abtastet, entsteht am Ausgang F der Auswerteschaltung 200 eine Analogspannung die im Rhythmus der genannten Abtastung von verschiedenen Meßstellen stammt. Sie muß also im gleichen Rhythmus auf mehrere Auswertekanäle, beispielsweise auf verschiedene Temperaturregler, auf verschiedene Eingänge eines Temperaturreglers oder auf verschiedene Temperaturüberwachungseinrichtungen verteilt werden. Diesem Zweck dient der Demultiplexer 203, der Bestandteil der Auswerteschaltung 200 oder eines dieser zugeordneten Mehrfach-Temperaturreglers sein kann. Ein Teiler 204 steuert einerseits die Fortschaltung des Multiplexers 203 und öffnet andererseits, beispielsweise im zeitlichen Abstand von 0,2 × 8 = 1,6 s den vorzugsweise als elektronischen Schalter ausgebildeten Schalter 201 für jeweils 10 ms. Damit wird die Übertragung von 1 MHz-Impulsen auf die Sekundärseite des Drehtransformators 10 unterbrochen und die Versorgungsspannung U _B bricht zusammen. Sobald der Schalter 201 wieder geschlossen ist, baut sich die Versorgungsspannung U _B wieder auf, und über den Kondensator 102 gelangt ein Signal an den Löscheingang des Zählers 101, welches den Zähler zurücksetzt. Er fängt von neuem an zu zählen und den Multiplexer 103 fortzuschalten. Da der Teiler 204 sowohl den Schalter 201 betätigt als auch den Multiplexer 203 fortschaltet, sind auf diese Weise Multiplexer 103 und Demultiplexer 203 synchronisiert.

Die Synchronisierung geht in diesem Beispiel von der Auswerteschaltung 200 aus. Sie kann jedoch auch vom Meßwertumformer 100 her erfolgen. Hierzu wird beispielsweise einer der Meßwerteingänge des Multiplexers 103 derart beschaltet, daß ein außerhalb des normalen Meßbereichs der übrigen Widerstände F 1 bis F 8 liegendes Signal erzeugt und auf die Primärseite des Drehtransformators 10 übertragen wird. Ein solches Extremwertsignal wird von der Auswerteschaltung als Synchronisiersignal erkannt und zur Synchronisierung des Demultiplexers 203 ausgewertet.

Anhand der Fig. 2 und 3 soll noch die auch bereits in DE-PS 29 49 075 beschriebene Kompensation von Schwankungen der unstabilisierten Versorgungsspannung U _B des Meßwertumformers 100 und von etwaigen Änderungen der Frequenz f des HF-Generators 22 erläutert werden. Dies erfolgt unter der Annahme, daß die gerade gemessene Temperatur unverändert bleibt und somit auch die Meßspannung U _T unverändert bleiben soll. Es wird von einem Normalwert der Versorgungsspannung U _B = U _{B 0} und von einer Normalfrequenz f = f ₀ ausgegangen. Dieser Normalzustand ist in Fig. 2a wiedergegeben. Die Spannung U ₁₇ am Ausgang des Zählers 17 hat hier den Betrag U ₁. Steigt die Amplitude der Spannung U _B , wie dies in Fig. 2b angedeutet ist, so vergrößert sich einerseits die Meßspannung am Fühlerwiderstand F andererseits aber auch die Ausgangsspannung U ₁₇ des mit der gleichen Versorgungsspannung betriebenen Zählers 17. Beide gegenüber dem Normalfall gemäß Fig. 2a erhöhte Spannungen werden im Differenzverstärker 15 gegeneinandergeschaltet, so daß der spannungsgesteuerte Oszillator 16 die gleiche seine Frequenz bestimmende Differenzspannung erhält wie im Normalfall. Er erzeugt somit die gleiche Frequenz wie im Normalfall. Da der Zähler 31 in der Auswerteschaltung 200 mit einer stabilisierten Versorgungsspannung U _STAB betrieben wird, entsteht am Ausgang F das gleiche temperaturabhängige Signal wie im Normalfall (vgl. Fig. 3a und 3b).

Vermindert sich die Frequenz des Generators 22 von einem Normalwert f ₀ auf f ₁, wie dies ein Vergleich der Fig. 2a mit 2c zeigt, so benötigt der Zähler 17 mehr Zeit um beispielsweise 64 Impulse zu zählen. Dementsprechend verbreitert sich gemäß Fig. 2c der Ausgangsimpuls von einem Betrag 64/f ₀ auf 64/f ₁. Ein verbreiterter Ausgangsimpuls führt an sich zu einem erhöhten Mittelwert des Zählerausgangssignals. Da aber bei gleich gebliebener Versorgungsspannung U _B die dem Mittelwert im Differenzverstärker 15 entgegengeschaltete Meßspannung am eingeschalteten Meßwiderstand F unverändert geblieben ist, ergibt sich am Ausgang des Differenzverstärkers eine geänderte Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator 16, welche den Rückstellimpuls zeitlich derart verstellt, daß die Impulspause entsprechend dem verbreiterten Impuls ebenfalls gedehnt wird. Damit wird der Mittelwert des Zählerausgangssignals U ₁₇ auf den Betrag der Meßspannung am Fühlerwiderstand F geregelt. Der Rückstellimpuls wird, wie erwähnt, auf die Auswerteschaltung 200 übertragen. Somit erfolgt dort in gleicher Weise eine Dehnung der Impulspause entsprechend der Impulsverbreiterung. Damit behält angesichts der stabilisierten Versorgungsspannung U _STAB der durch das Siebglied 32, 33 gebildete Mittelwert U _T seinen Wert bei, weil die Verbreiterung der Impulse und die Dehnung der Periodendauer einander kompensieren. Die Genauigkeit der Meßwertübertragung hängt also weder von der Amplitudenkonstanz noch von der Frequenzkonstanz des HF-Generators 22 ab. Die Frequenz kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 500 und 1500 kHz schwanken, ohne die Meßgenauigkeit zu beeinträchtigen. Auch eine beispielsweise durch Veränderung der Kopplung des Drehtransformators bedingte Änderung der nicht stabilisierten Versorgungsspannung für den Meßwertumformer 100 bleibt ohne Einfluß. Da die Meßwertübertragung letztlich auf einer Impulszählung beruht, ist auch die Länge des Koaxialkabels 34 ohne Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Anstelle eines Zählers 17 mit von der Versorgungsspannung abhängiger Ausgangsamplitude könnte auch ein Zähler mit konstanter Ausgangsamplitude und ein diesem nachgeschalteter Pegelwandler Verwendung finden, dessen Ausgangssignal von der Höhe der Versorgungsspannung abhängig ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur kontaktlosen Meßwertübertragung von einem drehbaren auf ein feststehendes Maschinenteil, insbesondere für die Temperaturmessung an Heizgaletten, mit

• a) einem HF-Generator (22) und einer Auswerteschaltung (200) auf dem feststehenden Teil;
• b) einem Meßwertumformer (100) mit einer Gleichrichterschaltung (11, 12) auf dem drehbaren Maschinenteil;
• c) einem einerseits den HF-Generator (22) und den Meßwertumformer (100) samt Gleichrichterschaltung sowie andererseits den Meßwertumformer und die Auswerteschaltung (200) koppelnden, einerseits der kontaktlosen Übertragung von HF-Impulsen an den Meßwertumformer und andererseits der kontaktlosen Übertragung der Meßsignale an die Auswerteschaltung dienenden einzigen Drehtransformator (10);
• d) je einem Zähler (17, 31) im Meßwertumformer und in derAuswerteschaltung, wobei beide Zähler mit den Impulsen des HF-Generators (22) beaufschlagt werden und eine gleiche vorbestimmte Zählkapazität und wenigstens der Zähler (17) im Meßwertumformer eine von der angelegten Versorgungsspannung abhängige Amplitude seiner Ausgangssignale aufweist;
• e) Speisung des Zählers (17) im Meßwertumformer (100) aus der von der Gleichrichterschaltung (11, 12) gelieferten Spannung (U _B ) und Speisung des Zählers (31) in der Auswerteschaltung mit einer stabilisierten Gleichspannung (U _STAB );
• f) einem ersten Vergleicher (15) im Meßwertumformer (100), dem einerseits eine von der Temperatur und der Versorgungsspannung (U _B ) abhängige Spannung und andererseits der arithmetische Mittelwert des Zählerausgangssignals zugeführt wird und dessen Ausgangssignal über einen spannungsgesteuerten Oszillator (16) den Rückstellimpuls für beide Zähler (17, 31) erzeugt, wobei das gemittelte Ausgangssignal des Zählers (31) in der Auswerteschaltung (200) den Temperatur-Istwert (U _T ) anzeigt;
• g) einem zweiten Vergleicher (30) in der Auswerteschaltung (200), dem durch einen Stromwandler (23) in der Leitung (34) zwischen HF-Generator (22) und Drehtransformator (10) die Rückstellimpulse des Meßwertumformers einmal unmittelbar und zum anderen nach Mittelwertbildung zugeführt werden und der aufgrund des Rückstellimpulses des Meßwertumformers das Rückstellsignal für den Zähler (31) der Auswerteschaltung erzeugt; sowie
• h) einem der Sekundärwicklung (10 b) des Drehtransformators (10) parallel­ geschalteten elektronischen Schalter (20), welcher von den Rückstellimpulsen am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (16) durchgeschaltet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

• i) im Meßwertumformer (100) über einen Multiplexer (103) mehrere jeweils aus der gleichgerichteten Versorgungsspannung (U _B ) gespeiste, meßwertabhängige Widerstände (F 1 bis F 8) an den einen Eingang des ersten Vergleichers (15) anschließbar sind; und
• j) zur Fortschaltung des Multiplexers (103) diesem ein dritter Zähler (101) vorgeschaltet ist, der ebenfalls durch die HF-Impulse fortgeschaltet und durch die Rückstellimpulse gelöscht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortschalteingang des dritten Zählers (101) an die Sekundärwicklung (10 b) des Drehtransformators (10) und sein Löscheingang über einen Kondensator (102) an den Ausgang der Gleichrichterschaltung (11, 12) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung von Auswerteschaltung (200) und Meßwertumformer (100) in der Auswerteschaltung eine die HF-Signale kurzzeitig unterbrechende Schalteinrichtung (201) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (201) durch das Ausgangssignal eines Taktgebers (204) gesteuert ist, der zugleich einen Demultiplexer (203) steuert, welcher die in zeitlicher Staffelung in der Auswerteschaltung (200) erzeugten Temperatur- Istwertsignale (U _T ) einem oder mehreren Regelkreisen und/oder Anzeigevorrichtungen als Istwert-Signal zuleitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung von Auswerteschaltung (200) und Meßwertumformer (100) im Meßwertumformer einer der an den Multiplexer (103) anschließbaren meßgrößen­ abhängigen Widerstände (F) abweichend von allen anderen derart dimensioniert ist, daß seine Anschaltung an den ersten Vergleicher (15) ein in der Auswerteschaltung als Synchronisiersignal erkennbares Extremwertsignal liefert.