DE1073093B

DE1073093B - Electrical transducer for displaying emer electrical voltage or a function of electrical voltage through an electrical current

Info

Publication number: DE1073093B
Application number: DENDAT1073093D
Authority: DE
Inventors: Berlm-Charlottenburg Horst Ziegler
Original assignee: Askama-Werke Aktiengesellschaft, Berlin Friedenau
Publication date: 1960-01-14

Description

Elektrischer Meßwertwandler zur Darstellung einer elektrischen Spannung oder einer Funktion einer elektrischen Spannung durch einen elektrischen Strom Es sind elektrodynamische Kraftkompensationssysteme, beispielsweise unter der Bezeichnung » Stromwaage«, bekanntgeworden, bei denen mechanische Drehmomente oder in solche umgewandelte Ströme an einem Waagebalken oder einem waageartig wirkenden Meßsystem durch ein Gegendrehmoment kompensiert werden. Dabei wird ein minimaler, im Höchstfalle nur Zehntelmillirneter betragender Waagebalkenausschlag von einem induktiven Geber (Schwenkspulsvstem) erfühlt und in Form einer Spannung einem elektronischen Verstärker zugeführt. Der Verstärker treibt nach Maßgabe dieser Spannung einen Strom durch einen elektrodynamischen Kompensationskraftgeber, der wiederum auf den Waagebalken wirkt und das Gegendrehmoment erzeugt. Der vom Verstärker erzeugte Strom entspricht damit der eingegebenen Meßgröße, im allgemeinen also einer Kraft. Ein solcher Meßwertwandler läßt sich indessen nicht mehr verwenden, wenn die zu wandelnde Meßgröße keine Kraft ist oder sich nicht ohne weiteres in eine Kraft umwandeln läßt, da ja solche Meßwertwandler gerade auf dem Prinzip der Israftkompensation beruhen. Das ist der Fall, wenn die umzuwandelnde Meßgröße in Form einer Spannung, insbesondere einer schwachen Spannung, vorliegt. Auch in diesem Fall will man sich nicht der Vorteile begeben, diefden in der Meßtechnik allgemein angewendeten Kompensationsverfahren zukommen. Daher werden im allgemeinen Spannungen durch Gegenspannungen kompensiert. Die Erfindung macht von dieser zweiten Möglichkeit Gebrauch, wobei allerdings von der Stromwaage her bekannte Bauelemente Verwendung finden. Electrical transducer for displaying an electrical voltage or a function of an electrical voltage by an electrical current Es are electrodynamic force compensation systems, for example under the designation »Electric balance«, became known in which mechanical torques or in such Converted currents on a balance beam or a measuring system acting in a horizontal manner be compensated by a counter torque. There is a minimum, in the maximum case only tenths of a millimeter amount of balance beam deflection from an inductive encoder (Schwenkspulsvstem) and in the form of a voltage an electronic amplifier fed. The amplifier drives a current according to this voltage an electrodynamic compensation force generator, which in turn is on the balance beam acts and generates the counter torque. The current generated by the amplifier corresponds to thus the input measured variable, generally a force. Such a transducer however, it can no longer be used if the measurand to be converted has no force is or cannot be converted into a force without further ado, since such transducers are are based precisely on the principle of israft compensation. That is the case when the measurand to be converted in the form of a voltage, especially a weak voltage, is present. In this case, too, one does not want to give up the advantages that fden Compensation methods generally used in measurement technology. Therefore tensions are generally compensated by counter-voltages. The invention makes use of this second option, although using the electric balance Find known components ago use.

Es existieren Einrichtungen zur Darstellung von elektrischen Spannungen durch elektrische Ströme, in denen der von einem elektrischen Verstärker gelieferte darstellende Strom durch einen Widerstand fließt, in denen der Spannungsabfall an diesem Widerstand der darzustellenden Spannung entgegengeschaltet wird und in denen eine gewisse Differenz zwischen der darzustellenden Spannung und dem Spannungsabfall an dem genannten Widerstand zur Steuerung des Verstärkers dient. Derartige Einrichtungen arbeiten zufriedenstellend, wenn es sich um die Darstellung von Gleichspannungen durch Gleichströme handelt. Sie arbeiten aber keinesfalls zufriedenstellend, wenn effektive Wechselspannungen durch effektive Wechselströme dargestellt werden sollen. Voraussetzung für zufriedenstellendes Arbeiten ist ja in solchen Fällen, daß der darzustellenden Wechselspannung, welche eine bestimmte harmonische Zusammensetzung hat, ein Spannungsabfall am Widerstand von der gleichen harmonischen Zusammensetzung entgegengeschaltet wird. Damit diese Voraussetzung erfüllt ist, müssen Verstärker mit linearer Charakteristik und den dar- stellenden Strom nicht verzerrende Bürden vorhanden sein; das sind aber Bedingungen, die im allgemeinen mit einfachem Aufwand an technischen Mitteln nur unvollkommen erfüllbar sind. There are devices for displaying electrical voltages by electrical currents in which the one supplied by an electrical amplifier representing current flows through a resistor, in which the voltage drop occurs this resistance is switched against the voltage to be represented and in which a certain difference between the voltage to be displayed and the voltage drop at said resistor is used to control the amplifier. Such facilities work satisfactorily when it comes to representing DC voltages acts through direct currents. But they are by no means working satisfactorily when effective alternating voltages are to be represented by effective alternating currents. In such cases, the prerequisite for satisfactory work is that the AC voltage to be represented, which has a certain harmonic composition has a voltage drop across the resistor of the same harmonic composition is counteracted. In order for this requirement to be met, amplifiers must be used with linear characteristics and the current non-distorting burdens to be available; But these are conditions that are generally easy to use in terms of technical means are only imperfectly achievable.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wird daher erfindungsgemäß ein elektrischer Meßwertwandler zur Umformung einer einen Meßwert darstellenden elelu trischen Spannung oder einer Funktion dieser Spannung in einen dem Meßwert entsprechenden Strom, bei dem ein vorzugsweise drehbar gelagertes Meßglied vorgesehen ist, das von dem dem Meßwert entsprechenden, von einem Verstärker erzeugten Strom mittels eines elektrodynamischen Kraftgebers verstellt wird, wobei die Verstellung einen den Verstärker beeinflussenden, vorzugsweise induktiven Spannungsgeber beaufschlagt, vorgeschlagen, der sich dadurch kennzeichnet, daß das Meßglied elastisch gefesselt ist und daß die Differenz von umzuformender Spannung bzw. Funktion einer Spannung und vom Spannungsgeber erzeugter Spannung dem Eingang des Verstärkers zugeführt ist. In order to avoid this disadvantage, according to the invention, an electric Measuring transducer for converting an electrical voltage representing a measured value or a function of this voltage into a current corresponding to the measured value which a preferably rotatably mounted measuring element is provided, from which the Measured value corresponding, generated by an amplifier by means of an electrodynamic current Force transducer is adjusted, the adjustment influencing the amplifier, preferably applied inductive voltage transmitter, proposed that is thereby indicates that the measuring element is elastically tied and that the difference of Voltage to be transformed or function of a voltage and generated by the voltage transmitter Voltage is fed to the input of the amplifier.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die der darzustellenden Spannung entgegenzuschaltende Spannung unabhängig von der Art des darstellenden Stromes ist, insbesondere auch unabhängig davon, ob dieser ein effektiver Wechselstrom oder ein Gleichstrom ist; die Charakteristik des Verstärkers und die Art der vom darstellenden Strom durchflossenen Bürde haben keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Darstellung. Vorteilhafterweise besteht, wenn effektive Wechselspannungen darzustellen sind, die Möglichkeit, denlGeber für die der darzustellenden Spannung entgegenzuschaltende Spannung so auszubilden, daß die von ihm abgegebenen Spannungen die gleiche harmonische Zusammensetzung wie die darzustellende Spannung haben. Insbesondere, wenn die darzustellende Wechselspannung von einem induktiven Geber, welcher beispielsweise von irgendeinem Meßwerk gesteuert sein kann, herrührt, kann ein ihm gleicher und aus dem gleichen Versorgungsnetz betriebener induktiver Spannungsgeber am drehbar gelagerten Meßglied vorgesehen sein. The advantage of the invention is that the to be represented Voltage Counteracting voltage regardless of the type of performing Current is, in particular, regardless of whether it is an effective alternating current or is a direct current; the characteristics of the amplifier and the type of from The load through which the current flows have no influence on the accuracy the representation. It is advantageous if effective alternating voltages are to be represented are, the possibility to switch the encoder for the voltage to be displayed opposite To train voltage so that the voltages emitted by it are the same harmonic Composition like the voltage to be represented. Especially if the to be displayed AC voltage from an inductive transmitter, which, for example, from any Measuring mechanism can be controlled, originates, can be identical to and from the same Supply network operated inductive voltage transmitter on the rotatably mounted measuring element be provided.

Es sei nun das in der Abbildung dargestellte spezielle Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Let us now consider the specific embodiment shown in the figure of the invention described.

Es ist 1 ein bei 2 drehbar gelagerter zweiarmiger Hebel (Meßglied). Der eine Arm dieses Hebels trägt die im Bereich der Feldspulen 3 bewegliche Ankerspule 4 eine induktiven Spannungsgebers. 1 is a two-armed lever (measuring element) rotatably mounted at 2. One arm of this lever carries the armature coil which is movable in the area of the field coils 3 4 an inductive voltage transmitter.

Der andere Arm trägt die im Bereich der Feldspule 5 bewegliche Ankerspule 6 eines aus 5 und 6 bestehenden elektrodynamischen Kraftgebers. 7 ist ein elektronischer Verstärker, 8 ein Gleichrichter in bekannter Graetz-Schaltung. Der Hebel ist durch die Feder 9 elastisch an eine »Nullage«, in welcher in der Ankerspule des induktiven Spannungsgebers keine Spannung induziert wird, gefesselt. 10 ist die am Hebel 11 befindliche Ankerspule eines weiteren induktiven Spannungsgebers, welche von dem Differenzdruckmeßwerk 12 gesteuert wird. 13 ist ein den darstellenden Strom anzeigendes und registrierendes Gerät, 14 ein weiteres, vom darstellenden Strom zu betreibendes Gerät, beispielsweise ein Regler. Die SpulelO gibt die durch den Gleichstrom J darzustellende Wechselspannung U ab. Die beiden durch die Ankerspulen 4 und 10 gekennzeichneten induktiven Spannungsgeber sind als gleich und aus dem gleichen Versorgungsnetz betrieben vorausgesetzt.The other arm carries the armature coil which is movable in the area of the field coil 5 6 of an electrodynamic force transducer consisting of 5 and 6. 7 is an electronic one Amplifier, 8 a rectifier in a known Graetz circuit. The lever is through the spring 9 resiliently to a "zero position" in which in the armature coil of the inductive Voltage transmitter no voltage is induced, tied up. 10 is the one on lever 11 located armature coil of another inductive voltage generator, which is from the Differential pressure measuring mechanism 12 is controlled. 13 is a representative current indicating current and registering device, 14 another, to be operated by the stream to be displayed Device, such as a controller. The SpulelO gives the one to be represented by the direct current J. AC voltage U from. The two identified by armature coils 4 and 10 inductive voltage transmitters are operated as the same and from the same supply network provided.

Die Wirkungsweise ist folgende: Beim Entstehen eines Differenzdruckes lenkt das Differenzdruckmeßwerk 12 den Hebel 11 aus, so daß sich die Ankerspule 10 verschiebt und eine dem Differenzdruck proportionale Wechselspannung erzeugt, die dem Verstärker 10 zugeführt wird. Dieser steuert nach Maßgabe der an seinem Eingang liegenden Spannung einen Strom J aus, der die Ankerspule 6 und die FePdispuleS des elektrodynamischen Kraftgebers durchfließt. Das Meßglied, d. h. also der zweiarmige Hebel 1, wird dadurch entgegen der Kraft der Feder 9 ausgelenkt, von der bei diesem Ausführungsbeispiel angenommen sei, daß sie eine lineare Federcharakteristik besitzt. Zum Unterschied gegenüber den kraftkompensierten Systemen (»Stromwaagen«), bei denen der Hebel 1 durch Meßkraft undKompensationskraft ausbalanciertwird, läuft hier der Hebel gcgen die Kraft der Feder 9 an. The mode of operation is as follows: When a differential pressure arises the differential pressure measuring mechanism 12 deflects the lever 11 so that the armature coil 10 shifts and generates an alternating voltage proportional to the differential pressure, which is fed to the amplifier 10. This controls according to the at his Input lying voltage a current J from the armature coil 6 and the FePdispuleS of the electrodynamic force transducer flows through. The measuring element, d. H. so the two-armed one Lever 1 is thereby deflected against the force of the spring 9, from which in this case Embodiment, it is assumed that it has a linear spring characteristic. In contrast to the force-compensated systems (»current scales«), where If the lever 1 is balanced by the measuring force and the compensation force, the Lever counter the force of spring 9.

Dadurch findet eine Auslenkung des Hebels 1 statt, wodurch in der Ankerspule 4 des induktiven Spannungsgebers 3, 4 eine der Auslenkung proportionale Wechselspannung induziert wird, die der umzuformenden, von der Ankerspule 10 gelieferten Spannung entgegengeschaltet wird. Am Eingang des Verstärkers 7 liegt daher die Differenz der beiden Spannungen, die von den Ankerspulen 4 und 10 erzeugt sind, und nach Maßgabe dieser Differenz steuert er den Strom J. Dieser wächst so lange an, bis durch seine Kraftwirkung und dadurch hervorgerufene Auslenkung des Hebels 1 sich beide Spannungen nahezu gegenseitig aufheben und das System im Gleichgewicht ist. Es ist einleuchtend, daß dieser Abgleich kein vollständiger sein kann, da sonst am Verstärkereingang die Differenzspannung Null liegen und kein Strom mehr vom Verstärker abgegeben werden würde.This causes a deflection of the lever 1 instead, whereby in the Armature coil 4 of the inductive voltage generator 3, 4 is one of the deflection proportional AC voltage is induced, which is supplied by the armature coil 10 to be reshaped Voltage is switched in the opposite direction. The difference is therefore present at the input of the amplifier 7 of the two voltages generated by the armature coils 4 and 10, and as appropriate this difference he controls the current J. This grows so long until through his The effect of the force and the deflection of the lever 1 caused thereby are both tensions almost cancel each other out and the system is in equilibrium. It is obvious that this adjustment cannot be more complete, otherwise at the amplifier input the differential voltage is zero and no more current is output from the amplifier would.

Man muß daher einen Verstärker mit einem sehr hohen Verstärkungsgrad benutzen, der bereits bei kleinenDifferenzspannungen starke Ströme aussteuert.It is therefore necessary to have an amplifier with a very high gain which drives strong currents even at small differential voltages.

Dann werden in dem oben beschriebenen Gleichgewichtszustand die beiden von den Ankerspulen 4 und 10 erzeugten Spannungen nahezu gleich sein. Eine einfache Betrachtung zeigt, daß der ausgesteuerte Strom J proportional dem Durchfluß ist, der durch das Differenzdrucltmeßwerk 12 erfühlt wird; denn die Auslenkung der Ankerspule 10 und damit die durch diese erzeugte Spannung ist proportional dem Differenzdruck. Daher ist im Gleichgewichtsfalle und bei genügend hohem Verstärkungsgrad die durch die Ankerspule 4 erzeugte Spannung und damit deren Auslenkung proportional dem Differenzdruck. Es ist also die Auslenkung des Hebels 1 proportional dem Differenzdruck. Dabei ist zu bemerken, daß das gleiche auch gilt, wenn die von den Ankerspulen erzeugten Spannungen nicht proportional ihren Auslenkungen sind, sofern sie gleichartig aufgebaut sind, d. h. gleichartige Charakteristiken haben. Dann heben sich die entstehenden Fehler heraus.Then, in the equilibrium state described above, the two become voltages generated by the armature coils 4 and 10 be almost the same. A simple one Consideration shows that the modulated current J is proportional to the flow rate, which is sensed by the differential pressure measuring mechanism 12; because the deflection of the armature coil 10 and thus the voltage generated by this is proportional to the differential pressure. Therefore, in the case of equilibrium and with a sufficiently high degree of amplification, the through the armature coil 4 generated voltage and thus its deflection proportional to the differential pressure. The deflection of the lever 1 is therefore proportional to the differential pressure. It is note that the same is true when the voltages generated by the armature coils are not proportional to their displacements, provided that they are structured in the same way, d. H. have similar characteristics. Then the resulting errors cancel themselves out out.

Da nun die Charakteristik der Feder als linear vorausgesetzt wurde, so ist die Auslenkung des Hebels 1 proportional der wirkenden Kraft und somit wegen der Ausbildung des elektrodynamischen Kraftgebers proportional dem Qudrat des Stromes J. Folglich ist der Differenzdruck diesem Quadrat proportional, und deshalb ist nach den bekannten Gesetzen, die dem Differenzdruckmeßverfahren zugrunde liegen, der Strom J proportional dem Durchfluß. Dieser Strom.T fließt durch das den Durchfluß registrierende Gerät 13 und das Gerät bzw. den Regler 14. Since the characteristic of the spring was assumed to be linear, so the deflection of the lever 1 is proportional to the acting force and therefore because of the formation of the electrodynamic force transmitter proportional to the square of the current J. Hence the differential pressure is proportional to this square, and therefore is according to the known laws on which the differential pressure measurement process is based, the current J proportional to the flow. This Strom.T flows through the flow registering device 13 and the device or controller 14.

Die Erfindung ist nicht auf den beschriebenen Anwendungsfall beschränkt, sondern kann mancherlei Abänderungen erfahren. So ist ihre Anwendung nicht auf den Fall der Durchflußmessung beschränkt. Die umzuwandelnde Spannung braucht auch nicht über eine mechanische Verschiebung erzeugt zu sein und nicht notwendig durch einen induktiven Spannungsgeber, wie er durch die Ankerspule 10 bezeichnet ist. The invention is not limited to the application described, but can experience various changes. So its application is not to that Case of flow measurement limited. The voltage to be converted does not need either to be generated by a mechanical displacement and not necessarily by a inductive voltage transmitter, as indicated by the armature coil 10.

Die Umwandlungscharakteristik kann ferner beliebig angepaßt werden, indem beispielsweise die Charakteristik des das Meßglied elastisch fesselnden Gliedes geeignet gewählt wird, und bzw. oder dadurch, daß der elektrodynamisclie Kraftgeber in geeigneterWeise ausgebildet wird. So wird man im Fall einer linearen Meßwertwandlung einen aus einer Spule und einem Permanentmagneten bestehenden elektrodynamischen Kraftgeber benutzen.The conversion characteristics can also be adapted as required, by, for example, the characteristic of the member elastically gripping the measuring member is chosen appropriately, and / or by the fact that the electrodynamic force transmitter appropriately trained. This is how one becomes in the case of a linear measurement conversion an electrodynamic one consisting of a coil and a permanent magnet Use force transmitter.

Man kann natürlich auch die Feldspule 5 oder Teilwicklungen derselben durch besonderen Größen folgende Ströme erregen und damit J als Funktion nicht nur von U allein, sondern als Funktion von U und weiteren Größen steuern. Of course, you can also use the field coil 5 or partial windings of the same excite the following currents through special quantities and thus not only J as a function by U alone, but as a function of U and other variables.

Im Ausführungsbeispiel wird J als Gleichstrom gewonnen. Unterläßt man die Gleichrichtung des vom Verstärker gelieferten Stromes, so wird J alsWechselstrom gewonnen. In the exemplary embodiment, J is obtained as a direct current. Fail if the current supplied by the amplifier is rectified, then J becomes an alternating current won.

Wird der induktive Spannungsgeber der Einrichtung 3, 4 durch einen Gleichspannungsgeber und die Kombination aus Verstärker 7 und Gleichrichtung 8 durch einen Gleichspannungsverstärker ersetzt, so können Gleichspannungen oder Funktionen derselben durch Gleichströme dargestellt werden. Für den gleichen Zweck kann man sich aber auch der im Ausführungsbeispiel vorhandenen Kombination des Wechselspannungsverstärkers 7 mit dem nachgeschalteten Gleichrichter8 bedienen, wenn man dem Verstärkereingang einen Zerhacker vorschaltet. If the inductive voltage transmitter of the device 3, 4 by a DC voltage generator and the combination of amplifier 7 and rectifier 8 through If a DC voltage amplifier is replaced, then DC voltages or functions the same are represented by direct currents. For the same purpose you can but also the combination of the AC voltage amplifier present in the exemplary embodiment 7 with the downstream rectifier 8 if you connect the amplifier input upstream a chopper.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht notwendigerweise an die drehbare Lagerung des Meßgliedes (wie im Ausführungsbeispiel an die drehbare Lagerung des Hebels 1) gebunden ist. So wäre es z. B. auch denkbar, das Meßglied translatorisch durch den Kraftgeber gegen eine Federkraft zu bewegen und die Translation durch den induktiven Spannungsgeber zu erfühlen. Finally, it should be noted that the invention does not necessarily to the rotatable mounting of the measuring element (as in the exemplary embodiment the rotatable mounting of the lever 1) is bound. So it would be B. also conceivable that To move the measuring element translationally by the force transmitter against a spring force and to feel the translation by the inductive voltage generator.

PATENTSHOCHE: 1. Elektrischer Meßwertwandler zur Umformung einer einen Meßwert darstellenden elektrischen Spannung oder einer Funktion dieser Spannung in einen dem Meßwert entsprechenden Strom, bei dem ein vorzugsweise drehbar gelagertes Meßglied vorgesehen ist, das von dem dem Meßwert entsprechenden, von einem Verstärker erzeugten Strom mittels eines elektrodynamischen Kraftgebers verstellt wird, wobei die Verstellung einen den Verstärker beeinflussenden, vorzugsweise induktiven Spannungsgeber beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (1) elastisch gefesselt ist und daß die Differenz von umzuformender Spannung bzw. Funktion einer Spannung und vom Spannungsgeber (3> 4) erzeugter Spannung dem Eingang des Verstärkers (7) zugeführt ist. PATENTSHOCHE: 1. Electrical transducer for converting a an electrical voltage representing a measured value or a function of this voltage into a current corresponding to the measured value, in which a preferably rotatably mounted Measuring element is provided, that of the corresponding to the measured value, from an amplifier generated current is adjusted by means of an electrodynamic force transmitter, wherein the adjustment a preferably inductive voltage transmitter influencing the amplifier acted upon, characterized in that the measuring element (1) is elastically tied and that the difference between the voltage to be converted or the function of a voltage and voltage generated by the voltage transmitter (3> 4) to the input of the amplifier (7) is fed.

Claims

2. transducer according to claim 1, characterized in that the Desired dependence of the displayed current on the voltage to be displayed by appropriate dependency of the force that grips the rotatably mounted measuring element (1) is achieved by its deflection.

3. transducer according to claim 1 to represent the root of a electrical voltage through an electrical current, thus characterized draws that the rotatably mounted measuring element (1) is tied up so that the captivating forces the from steering of the measuring element are proportional, and that the electrodynamic force transmitter (5, 6) is designed in a known manner so that the current operating it forces causes which are proportional to the square of this current.

4. Device according to claim 3, characterized in that the measuring element (1) is bound by a spring (9).

5. Device according to one of the preceding claims for representation an effective one originating from a transmitter controlled in particular by displacements AC voltage, characterized in that the rotatable by the deflections of the mounted measuring element (1) controlled voltage transmitter (3, 4) is of the same type like the transmitter of the voltages to be displayed (10, 11).

6. Application of a device according to claims3, 4 and 5 for Representation of the root of a pressure proportional to a differential, from a through a differential pressure measuring device (12) controlled transmitter (10, 11) supplied voltage.

Publications considered: Elektrotechnische Zeitschrift, (ETZ-A), Vol. 78 (1957), H. 15, p. A4; H. 20, pp. 726 to 729; Electrical engineering and Maschinenbau (E u. M), 1957, issue 3, pages 49 to 57; Siemens development reports & Halske AG., Volume 19, Volume 2, July 1956, pp. 229 to 233.