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Schaltungsanordnung zur Umformung eines elektrischen Meßwertes in
einen proportionalen Gleichstrom und eine proportionale Impulshäufigkeit Zur elektrischen
Messung anderer elektrischer und nicht elektrischer Größen werden bekanntlich Meßwertumformer
verwendet. Bei der bekannten Ausführung eines solchen Meßwertumformers findet ein
Kräftevergleich statt zwischen jener Kraft, die die Meßgröße in einem entsprechenden
Meßwerk erzeugt, und derjenigen, die ein proportionaler Kompensationsstrom in einem
elektrischen Meßwerk hervorruft. Zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes
dient ein Regler, bestehend aus einem rückwirliungsfreien Fühler und einer verstärkenden
Anordnung. Dieser Regler liefert den meßwertabhängigen Kompensationsstrom. Es ist
auch ein Meßwertumformer bekanntgeworden, der außerdem einen aus Elektronenröhren
bestehenden Generator aufweist, dessen Frequenz meßwertabhängig ist und zur Fernübertragung
benutzt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Umformung
eines elektrischen Meßwertes in einen proportionalen Gleichstrom und eine proportionale
Impulshäufigkeit unter Verwendung eines Kompensationssystems zu schaffen, das aus
einem vom Meßwert beaufschlagten und ein Drehmoment liefernden Meßgerät, einer von
einem Gleichstrom durchflossenen Kompensationsspule, einem Abgriffsystem und einer
spannungsabhängigen Kippschaltung besteht. Gemäß der Erfindung steuert die vom Abgriffsystem
gelieferte Spannung nach eventuell er Verstärkung und Gleichrichtung einen Übertrager
mit möglichst rechteckiger Magnetisierungskennlinie aus, der zusammen mit seinen
Wicklungen und anderen verstärkenden Elementen, insbesondere über die Basisspannung
gesteuerten Transistoren, eine astabile Kippschaltung bildet, in welcher die meßwertabhängige
Höhe der Kollektorströme die Größe der zeitlichen Flußänderung im Kern bestimmt,
so daß die für die Flußänderung von einem Sättigungswert zum anderen benötigte Zeit
dem Meßwert umgekehrt proportional ist, wodurch in den Wicklungen eine bei rechteckiger
Magnetisierungskennllnie mäanderförmige, für die Impulsübertragung geeignete und
in ihrer Ordinate meßwertproportionale Spannung entsteht, deren Halbwellenflächen
unabhängig von der Kippfrequenz konstant sind, so daß außerdem nach Doppelweggleichrichtung
auch eine meßwertproportionale Gleichspannung zur Verfügung steht.
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Es sind bereits Schaltungen bekanntgeworden, die aus einem mit mehreren
Wicklungen versehenen Übertrager und mehreren Transistoren als Schaltelementen-
bestehen.
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Derartige Schaltungen werden als magnetisch gekoppelte Multivibratoren
oder Inverter bezeichnet. Der Übertrager weist dabei zwei Rückkopplungswicklungen
auf, die mit einem Ende an der Basis oder am Emitter der beiden Transistoren liegen.
Weitere Wicklungen sind mit den Kollektoren der Transistoren verbunden. Außerdem
ist eine konstante oder meßwertabhängige Gleichspannung
vorhanden. Zusätzlich kann
eine weitere Gleichspannungsquelle zur Vorspannungserzeugung vorgesehen sein. Die
Wicklungen auf dem Übertrager sind so gepolt, daß durch die entstehenden Kippschaltungsvorgänge
die beiden Transistoren abwechselnd geöffnet und gesperrt werden.
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Die Frequenz dieses periodischen Wechsels hängt von der Zeit ab, die
der Magnetfluß im Kern des Übertragers benötigt, um von der Sättigung in der einen
Richtung bis zur Sättigung in der anderen Richtung zu gelangen.
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Unter der Annahme, daß der erste Transistor gerade geöffnet und der
zweite gesperrt ist, erzeugt die angelegte Gleichspannung über die zugehörige Kollektonvicklung
des geöffneten Transistors zunächst im Kern einen linear ansteigenden Magnetfluß,
solange die Sättigung noch nicht erreicht ist. Die gesamte Gleichspannung liegt
also an der Kollektorwiddung des geöffneten Transistors. An den Rückkopplungswicklungen,
die mit den Basisanschlüssen oder den Emitteranschlüssen der Transistoren verbunden
sind, treten dabei Spannungen auf, die die Öffnung des ersten und die Sperrung des
zweiten Transistorsnochunterstützen. Sobald die Sättigung erreicht ist, brechen
die Spannungen zusammen, und die im Drosselkern gespeicherte magnetische Energie
wird freigegeben.
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Hierbei nimmt der magnetische Fluß ab, und es werden an den Wicklungen
entgegengesetzte Spannungen induziert, die den ersten Transistor sperren und den
zweiten öffnen. Infolge des Kollektorstromes des zweiten Transistors steigt der
Fluß nach der anderen Richtung bis zur erneuten Sättigung an. Dieser Kippvorgang
wiederholt sich in einer Frequenz, die von der angelegten Gleichspannung, den Windungszahlen
der Wicklungen und der Größe des Sättigungsflusses abhängig ist. Derartige magnetisch
gekoppelte Multivibratoren benötigen zu
ihrer Aussteuerung eine
ziemlich große Leistung, die in der Größenordnung von einigen Watt liegen kann.
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Gemäß der Erfindung wird zwar unter anderem ebenfalls ein aus dem
Übertrager und zwei Transistoren bestehender magnetisch gekoppelter Multivibrator
verwendet, jedoch werden zum Unterschied von den bekannten Anordnungen die Transistoren
nicht als Schalter benutzt, sondern sie werden über die Basisspannung gesteuert.
Hierdurch ist es möglich, mit Steuerleistungen in der Größe von einigen 10-6 Watt
auszukommen.
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Der Gegenstand der Erfindung wird an Hand eines Schaltungsbeispiels
gemäß Fig. 1 der Zeichnung und den Diagrammen gemäß Fig. 2 erläutert.
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Im linken Teil der Schaltung gemäß Fig. 1 ist das bewegliche Meß-
und Kompensationssystem dargestellt.
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Es weist eine Meßwerkspule M1 auf, die von dem zu messenden Strom
beaufschlagt wird. Dieses Meßwerk kann auch durch eine Bourdonfeder für Druckmessung
oder ein anderes Meßelement ersetzt sein, das ein Drehmoment liefert. Mit M2 ist
die Kompensationsspule bezeichnet, die ein entsprechendes Gegendrehmoment liefern
soll. Die Feder F, die an der gemeinsamen Meßwerkachse I angreift, ist so bemessen,
daß auch beim Meßwert 0 ein gewisser Kompensationsstrom fließen muß.
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Mit der Meßwerkachse M ist zusätzlich eine Schwenkspule S verbunden,
die sich im Feld eines Wechselstrommagneten E bewegt. In dieser Schwenkspule wird
eine von ihrer Stellung abhängige Wechselspannung induziert.
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Diese Wechselspannung wird mit Hilfe des Transistors T1 verstärkt
und auf die Sekundärwicklung des Übertragers Ü transformiert. Dieser Übertrager
besteht aus der Gegenkopplungswicklung W8, der eigentlichen Primärwicklung Ws und
der Sekundärwicklung TT7lo Die Gegenkopplungswicklung dient zur Erhöhung des Eingangswiderstandes.
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Hierdurch wird die Belastung der Schwenkspule verkleinert und eine
Rückwirkung der Schwenkspule auf die Drehachse M praktisch ausgeschaltet. Die Spannung
an der Sekundärwicklung 114o wird mit Hilfe der Gleichrichter G1 und G2 in eine
pulsierende Gleichspannung verwandelt, die mit Hilfe der Kondensatoren C, und C2
und des Widerstandes R1 gesiebt wird. Die an dem Widerstand R2 anfallende Gleichspannung
steuert einen magnetisch gekoppelten Muftivibrator aus, der nachfolgend beschrieben
wird. Aus einem ferromagnetischen Kern K mit möglichst rechteckiger Hysteresisschleife
sind Wicklungen W1 bis W7 aufgebracht, deren Bedeutung im Zusammenwirken mit den
Transistoren T2 und T3 nachfolgend erläutert wird: Beim Aufmagnetisieren des Kerns
in der einen oder anderen Richtung werden unter anderem in den Wicklungen W1 und
Tl g entgegengerichtete Spannungen induziert.
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Es wirkt also jeweils die Spannung in der einen Wicklung der Spannung
an dem Widerstand R2 entgegen, während die Spannung in der anderen Wicklung die
Steuerspannung verstärkt. Wenn z. B. die Magnetisierungsrichtung im Kern'gerade
so verläuft, daß die Spannung an dem Widerstand R2 durch die Spannung an der Wicklung
W, vergrößert wird, ist der Transistor T2 je nach Größe der Steuerspannung mehr
oder weniger ausgesteuert. Er führt daher einen die Wicklung W2 durchfließenden
Kollektorstrnm, der den Kern in der einen Richtung bis zur Sättigung aufmagnetisiert.
Während dieser Phase ist der Transistor T2 gesperrt, weil die an der Wicklung Wo
entstehende Spannung der Spannung an R2 entgegenwirkt. Sobald nun die Sättigung
des Kerns erreicht ist, kann keine Flußänderung mehr stattfinden, und die induzierten
Spannungen brechen schlagartig zusammen.
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Infolgedessen wird auch der Transistor T2 stromlos, da die Steuerspannung
R2 allein nicht ausreicht, um in ihm einen Kollektorstrom zum Fließen zu bringen.
Die in dem
Übertragerkern gespeicherte magnetische Energie wird nun wieder freigegeben,
indem der Fluß von der oberen Sättigungsgrenze aus abnimmt. Da die Flußänderung
jetzt negativ ist, werden in sämtlichen Wicklungen Spannungen induziert, die entgegengesetzt
gepolt sind wie die in der Aussteuerungsphase des Transistors T2 vorliegenden Spannungen.
Es bleibt also jetzt der Transistor T2 gesperrt, während der Transistor T3 ausgesteuert
wird.
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Sein Kollektorstrom, der durch die Wicklung 1V3 fließt, unterstützt
die Abnahme des magnetischen Flusses so lange, bis die negative Sättigungsgrenze
erreicht ist. Da auf Grund des verwendeten Kernmaterials der Sättigungsknick sehr
scharf ausgeprägt ist, brechen die Spannungen wiederum plötzlich zusammen, der Transistor
T3 wird stromlos, und der Transistor T2 wird erneut ausgesteuert.
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Die Frequenz dieser Kippvorgänge hängt von der Größe der Sättigungsmagnetisierung,
den Windungszahlen der Wicklungen und vor allem von der an dem Widerstand R2 liegenden
Steuergleichspannung ab. Die Frequenz ist dieser Spannung streng proportional. In
den Wicklungen W5, W6 und W7 des Übertragers werden mäanderförmige Spannungen induziert,
deren Periodendauer der Steuerspannung indirekt und deren Ordinatenhöhe der Steuerspannung
direkt proportional ist. Unabhängig von der Steuerspannung ist also das Integral
einer solchen Spannungshalbperiode über die Zeit konstant. Die Vorgänge im magnetisch
gekoppelten i, Übertrager werden an Hand von Fig. 2 nochmals ausführlich erläutert.
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Das Justierpotentiometer P dient zur Symmetrierung des Spannungsverlaufes.
Die an der Wicklung 1V5 anfallende Mäanderspannung wird mit Hilfe der Doppelweggleichrichteranordnung
G3 in einen frequenzproportionalen, eingeprägten Gleichstrom verwandelt. Dieser
Gleichstrom I durchfließt ein Anzeige- oder Registriergerät A, die Kompensationsspule
M2 und einen Widerstand RK. Es können auch mehrere Meß- oder Registriergeräte angeschlossen
werden. Da es sich um einen eingeprägten Gleichstrom handelt, spielen die Widerstände
der hierzu eventuell erforderlichen Fernleitungen für die Meßgenauigkeit praktisch
keine Rolle. Die an der Wicklung W5 anfallende Mäanderspannung wird außerdem einem
Zählwerk Z zugeführt, auf den zusätzlich X einem Taktgeber T0 erzeugte Zeitsignale
einwirken. Das Zählwerk Z kann ein dekadischer Zähler aus bistabilen Schaltkreisen
(Flip-Flop) sein. Es können also die in bestimmten Meßperioden anfallenden Impulse
angezeigt werden.
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Die Schaltungsanordnung enthält weiterhin Mittel zur Impulsfernmessung
der Impulsfolgefrequenz. Unter anderem ist ein Oszillator vorgesehen, der aus der
Induktivität L, den Kondensatoren C3, C4 und dem Transistor T4 besteht. In diesem
Oszillator wird ein Trägerstrom erzeugt, der durch den Modulator illo getastet wird.
Der Modulator besteht aus den Wicklungen W6 und W7 auf dem Kern K und den beiden
Gleichrichtern G4 und G5.
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Durch den Modulator wird der Trägerstrom des Oszillators in jeder
positiven Halbwelle der in den Wicklungen W6 und W7 induzierten mäanderförmigen
Spannung auf einen Endverstärker gegeben, der einen Transistor T5 aufweist.
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Nach Verstärkung dieser Signale im Transistor T5 werden sie mit Hilfe
eines Übertragers Ü, auf einen Übertragungskanal gegeben. Zur Spannungsversorgung
der gesamten Schaltung dienen zwei Gleichspannungsquellen von beispielsweise 10
und 20 V. Mit Z, ist eine Zenerdiode bezeichnet, die zur Stabilisierung der Stromversorgung
dient.
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In Fig. 2 sind die Spannungen, Ströme, Durchflutungen und magnetischen
Flüsse in dem magnetisch gekoppelten Multivibrator dargestellt.
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Fig. 2 a zeigt im linken Teil eine kleine und im rechten Teil eine
große Steuergleichspannung (UR2). Die Verhältnisse beim Übergang von einer kleineren
auf eine größere Steuerspannung sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet.
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Aus den Fig. 2b und 2c ist ersichtlich, daß die Transistoren T2 und
T, abwechselnd Kollektorströme führen, deren Höhe der Steuerspannung proportional
ist.
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Die Periodendauer dieser Rechteckspannungen ist dagegen der Steuergröße
aus noch zu erläuternden Gründen umgekehrt proportional. Auf Grund dieser Kollektorströme
iCT2 und icT, ergeben sich in den Wicklungen Wa und W, wegen des entgegengerichteten
Wicklungssinnes positive und negative Durchflutungen Ow2 und iw3, wie aus den Fig.
2d und 2e zu ersehen ist.
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Diese Durchflutungen sind zwangläufig den Strömen proportional. Die
Wirkung dieser Durchflutungen addiert sich im Kern zu einer resultierenden Durchflutung
ORes., die in Fig. 2 f dargestellt ist. Nun hat eine positive konstante Durchflutung
einen linearen Anstieg des magnetischen Flusses im Kern zur Folge (Fig. 2g). Dieser
Fluß kann sich nur innerhalb des Bereiches s und ändern. Sobald also der obere Knick
der Magnetisierungskurve erreicht ist, kann sich der Fluß nicht mehr vergrößern,
es wird also die Flußänderung dz zu Null.
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Da die induzierte Spannung der Flußänderung proportional ist, muß
zu diesem Zeitpunkt die Spannung in sämtlichen Wicklungen des Kerns auf Null zurückgehen.
Dieser Spannungszusammenbruch ist dadurch bedingt, daß beim Erreichen der Sättigung
die Permeabilität um einige Zehnerpotenzen kleiner wird. Infolge der nun fehlenden
Steuerspannung an dem vorher geöffneten Transistor wird auch der Kollektorstrom
dieses Transistors zu Null.
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Da die in dem Eisenkern K im Augenblick der Sättigung gespeicherte
magnetische Energie das Bestreben hat, sich zu entladen, stellt sich eine Flußabnahme
ein (sl5 wird negativ). Als Folge davon werden in den Wicklungen W, und W4 Spannungen
induziert, die zu einer Aussteuerung des vorher gesperrten Transistors führen. Die
Windungszahlen der Wicklungen IV, und IV4 sind dabei so gewählt, daß die abwechselnd
Strom führenden Transistoren immer nur im stetigen Bereich entsprechend der Größe
der Steuerspannung ausgesteuert werden. Es findet also keine monoton instabile Aussteuerung
statt, wie dies bei den bekannten magnetisch gekoppelteten Multivibratoren der Fall
ist. Der magnetische Fluß in dem Kern verläuft entlang einer symmetrischen Sägezahnkurve.
Die Steilheit der einzelnen Geraden (4t) ist der Größe der resultierenden Durchflutung
direkt proportional. Bei großer Durchflutung wird also der Bereich zwischen negativer
und positiver Sättigung des Kerns schneller durchlaufen als bei kleiner Durchflutung.
Hierin ist die eigentliche Ursache dafür zu sehen, daß die Frequenz des Kippvorganges
der Steuerspannung UR2 proportional ist. Da die in den Wicklungen des Kerns induzierten
Spannungen linear von der Größe der zeitlichen Flußänderung (d tç) abhängen, sind
die Ordinaten der an den Wicklungen W5, W6 und W7 abgreifbaren Ausgangsspannungen
der Steuergröße direkt proportional (s. Fig. 2h). Da die Zeitdauer einer solchen
Spannungshalbwelle der Steuerspannung umgekehrt proportional ist, müssen die Spannungszeitflächen
(in Fig. 2h schraffiert) unabhängig von der Steuerspannung konstant sein.
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Der Modulator Mo (Fig. 1) ist so aufgebaut, daß er von den positiven
Rechteckspannungen Uw6 und Uw7 ausgesteuert wird. Man erhält daher am Modulatorausgang
die
in der Fig. 2 i dargestellten sinusförmigen Spannungszüge, deren Zeitdauer (t »)
der Meßgröße umgekehrt proportional ist. Man kann auch sagen, daß die Häufigkeit
oder die Zahl dieser Sinuszüge mit der Steuergröße wächst.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung kann also einen dem Meßwert
proportionalen Gleichstrom, eine dem Meßwert proportionale Frequenz und eine entsprechende
Impulsfolgefrequenz (Fig. 2i) liefern. Der Vorteil der Schaltung besteht insbesondere
darin, daß der Gleichstrom und die Kippfrequenz der Eingangsgröße streng proportional
ist, weil als frequenzbestimmendes Glied eine in Abhängigkeit von der Meßgröße gewonnene
Gleichstromgröße verwendet wird, die einen magnetisch gekoppelten Multivibrator
aussteuert.
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Eine wesentliche Verringerung des technischen Aufwandes ließ sich
vor allem dadurch erzielen, daß der magnetisch gekoppelte Multivibrator infolge
der Basissteuerung der Transistoren T2, T, mit extrem kleinen Steuerleistungen auskommt.
Als besonders zweckmäßig und vorteilhaft hat sich auch die Maßnahme herausgestellt,
den Modulator direkt mit dem Multivibrator zu kuppeln. Hierdurch wurde die Einsparung
zweier Übertrager und einer zusätzlichen Verstärkerstufe ermöglicht.
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PATENTANSPROCHE: 1. Schaltungsanordnung zur Umformung eines elektrischen
Meßwertes in einen proportionalen Gleichstrom und eine proportionale Impulshäufigkeit
unter Verwendung eines Kompensationssystems, das aus einem vom Meßwert beaufschlagten
und ein Drehmoment liefernden Meßgerät, einer von einem Gleichstrom durchflossenen
Kompensationsspule, einem Abgriffsystem und einer spannungsabhängigen Kippschaltung
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abgriffsystem (E, S) gelieferte Spannung
nach eventueller Verstärkung und Gleichrichtung (T1) einen Übertrager (K, W, bis
W7) mit möglichst rechteckiger Magnetisierungskennlinie aussteuert, der zusammen
mit seinen Wicklungen (Wl, W2, W,, W4) und anderen verstärkenden Elementen, insbesondere
über die Basisspannung gesteuerten Transistoren (T2, T3), eine astabile Kippschaltung
bildet, in welcher die meßwertabhängige Höhe der Kollektorströme die Größe der zeitlichen
Flußänderung (d t) im Kern (K) bestimmt, so daß die für die Flußänderung von einem
Sättigungswert zum anderen benötigte Zeit dem Meßwert umgekehrt proportional ist,
wodurch in den Wicklungen (W5, W6, T,'V7) eine bei rechteckiger Magnetisierungskennlinie
mäanderförmige, für die Impulsübertragung geeignete und in ihrer Ordinate meßwertproportionale
Spannung entsteht, deren Halbwellenflächen unabhängig von der Kippfrequenz konstant
sind, so daß außerdem nach Doppelweggleichrichtung (G3) auch eine meßwertproportionale
Gleichspannung zur Verfügung steht.