DE3311662A1

DE3311662A1 - Rechteckwellenstrom-generator

Info

Publication number: DE3311662A1
Application number: DE19833311662
Authority: DE
Inventors: Toyofumi Tomita
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-04-19
Filing date: 1983-03-30
Publication date: 1983-10-27
Also published as: GB2119587B; GB8308424D0; DE3311662C2; JPH0221527B2; US4488438A; JPS58182514A; GB2119587A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rechteckwellenstrom-Generator zur Speisung einer Erregerspule für die Erzeugung eines Magnetfelds mit einem festen, seine Richtung periodisch umkehrenden Erregerstrom. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Rechteckwellenstrom-Generator zur Verwendung bei einem elektromagnetischen Strömungsmesser mit Rechteckwellen-Erregersystem.

Elektromagnetische Strömungsmesser, die ein Rechteckwellen-Erreger- oder -Anregungssystem verwenden, sind an sich bekannt. Bei einem bisherigen elektromagnetischen Strömungsmesser dieser Art wird ein eine feste Größe besitzendes, seine Polarität mit einer gegebenen Periode änderndes Magnetfeld im wesentlichen unter einem rechten Winkel zur Strömungsrichtung eines leitfähigen Strömungsmittels angelegt, wobei eine im Strömungsmittel erzeugte Spannung mittels zweier Elektroden abgenommen und die Strömungsmenge (oder -geschwindigkeit) des Strömungsmit-

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- -sr -3

tels auf der Grundlage des so erhaltenen Meßwerts bestimmt wird. Bei diesem Strömungsmesser kehrt sich die Richtung des Magnetfelds und somit auch der abgegriffenen Spannung periodisch um, so daß die gemessene Spannungsgröße weniger stark elektromagnetischen Störeinflüssen unterworfen ist, die auf eine einseitig gerichtete bzw. unidirektionale Wechselwirkung zwischen den Elektroden und dem Strömungsmittel zurückzuführen sind. Außerdem können Störsignale (noise), die durch die Änderung der Verkettung zwischen einem elektrischen Stromkreis aus den Elektroden und dem Strömungsmittel sowie dem das Magnetfeld bildenden Magnetfluß erzeugt werden, durch Messung des Erregerstroms, während seine Amplitude im wesentlichen fest(gelegt) ist, herabgesetzt werden, weil der Erregerstrom ein Rechteckwellenstrom ist. Außerdem können auf Streukapazität in den Leitungen und der Erregerspule, mit den Elektroden gekoppelt (interlinked), zurückzuführende Störsignale vermindert werden. Aufgrund dieser Vorzüge vermag der elektromagnetische Strömungsmesser eine stabile Strömungsmengenmessung zu gewährleisten.

Der bisherige, die geschilderten Vorzüge bietende Rechteckwellenstrom-Generator besitzt im allgemeinen den im folgenden beschriebenen Aufbau. Eine Gleichstromversorgung ist über einen Konstantstromkreis an die Eingangsklemmen von vier Schalttransistoren angeschlossen, die eine Brückenschaltung bilden. An die Ausgangsklemmen der Transistoren ist eine Erregerspule angeschlossen, über die ein Erregerstrom in Form einer symmetrischen Rechteckwelle fließt. Positive und negative Spannungsausgänge vom symmetrischen Rechteckwellenstrom-Generator werden abwechselnd den gegenüberliegenden Transistorpaaren in der Brückenschaltung aufgeprägt, wobei ein sich mit einer vorgegebenen Periode umkehrender, gleich große positive und negative Amplituden besitzender Erregerstrom durch

die Erregerspule fließt. Zwischen die Gleichstromversorgung und die Brückenschaltung sind ein Widerstand zur Erregerstrommessung und ein Transistor für Konstantstromsteuerung, um den Erregerstrom auf einer vorbestimmten Größe zu halten, geschaltet. Der über den Konstantstromsteuer-Transistor fließende Strom wird durch das Ausqangssignal eines Operationsverstärkers gesteuert bzw. eingestellt, dessen Eingang ein Gleichspannungs-Bezuqssignal von einem Bezugssignalgenerator sowie ein durch den über den Meßwiderstand fließenden Strom hervorgerufener Spannungsabfall aufgeprägt werden, wobei der Operationsverstärker den Konstantstromsteuer-Transistor mit einem der Differenz zwischen den beiden Einqangssignalen äquivalenten Basisstrom speist. Der durch den Basisstrom aktivierte Transistor stellt den Erregerstrom so ein, daß die beiden, dem.Operationsverstärker zugeführten Eingangssignale gleich groß sind. Richtung und Amplitude des Erregerstroms werden somit entsprechend dem Bezuqsspannungssignal und dem Spannungssignal vom symmetrischen Rechteckwellenstrom-Generator eingestellt.

Beim Rechteckwellenstrom-Generator mit dem beschriebenen Aufbau kann unter Verwendunq einer einziqen Stromversorgung ein konstanter Strom in zwei Richtunaen zum Fließen gebracht werden. Dieser Generator ist jedoch immer noch mit den folgenden Mänqeln behaftet: Die Basisströme der beiden Transistoren von den vier Transistoren der Brükkenschaltunq, die an der Seite des Meßwiderstands und des Konstantstromsteuer-Transistors lieqen, fließen nicht über die Erregerspule, sondern über den Meßwiderstand. Infolqedessen lieqt ein Fehler bzw. eine Unstimmiqkeit zwischen den Amplituden des Erreqerstroms und des Bezugsspannungssiqnals vor. Außerdem führen Streuströme an den vier, die Brückenschaltunq bildenden Transistoren Fehler ein. Von diesen Fehlern kann der den

- Ar - ^

Basisströmen zuzuschreibende Fehler durch Verwendunq von MOSFETs ausqeräumt werden. Die derzeit verfüqbaren FeIdeffektt ransistoren benötiqen iedoch eine zusätzliche Stromversorqunq sowie die Gleichspannunqsversorqunq zur Lieferunq positiver und neqativer Erreqerströme. Außerdem erfordert dieser bisheriqe Generator eine ziemlich qroße Zahl von Transistoren, einschließlich der vier Transistoren in der Brückenschaltung und des Konstantstromsteuer-Transistors. Die vier Transistoren der Brükkenschaltunq müssen zum Schalten des Erreqerstroms von einem Hochleistunqstyp sein. Da der Erreqerstrom im Betrieb ständig über zwei der vier Transistoren in der Brückenschaltunq und über den Konstantstromsteuer-Transistor fließt, verbrauchen diese drei Transistoren ziemlieh viel elektrische Leistung. Hierdurch werden die Transistoren, und somit die gesamte Schaltung, weniger zuverlässig.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Rechteckwellenstrom-Generators mit weniger Bauteilen als beim bisherigen Generator und mit einer Schaltung solcher Auslegung, daß die Größe eines über eine Erregerspule fließenden Erregerstroms der Größe eines über ein Strommeßelement bzw. einen -widerstand fließenden Stroms gleich ist.

Diese Aufqabe wird bei einem Rechteckwellenstrom-Generator, der eine Erreqerspule zur Erzeuqunq eines Maqnetfelds mit einem Erreqerstrom speist, der seine Fließrichtuner periodisch umkehrt, erfindunqsqemäß qelöst durch einen zur Lieferunq des Erreqerstroms dienenden Stromversorqunqsteil mit einer Mittelklemme oder -anzapfunq, durch in Reihe über den Stromversorqunqsteil qeschaltete Steuerelemente mit einer Mittelklemme oder -anzapfung in der Mitte der Reihenschaltunq, durch ein in Reihe mit

der Erregerspule zwischen die beiden Mittelklemmen geschaltetes Strom-Meßelement zur Lieferung einer Spannung entsprechend dem Erregerstrom, durch einen Bezugssignalgenerator zur abwechselnden Lieferung von positiven und negativen Rechteckwellenspannungssignalen gleicher Amplitude mit einer vorgegebenen Periode und durch einen mit dem Ausgangssignal des Strom-Meßelements und dem Rechteckwellenspannungssignal vom Bezugssignalgenerator gespeisten Verstärkerteil zur abwechselnden Lieferung von Durchschalt- und Sperrsignalen zu den Steuerelementen auf beiden Seiten der zweiten Mittelklemme, um dabei einen bezüglich Periode, Amplitude und Polarität dem Rechteckwellenspannungssignal entsprechenden Erregerstrom über die Erregerspule fließen zu lassen.

Der erfindungsgemäße Rechteckwellenstrom-Generator bietet gegenüber dem bisherigen Generator die folgenden Vorteile: Die erfindungsgemäß verwendeten Steuerelemente sind auf die in Reihe über den Stromversorgungsteil geschalteten Elemente beschränkt und vermögen sowohl die Erregerstromumschaltung als auch die Konstantstromsteuerung oder -regelung durchzuführen. Im Gegensatz zum bisherigen Generator dieser Art benötiqt der erfindunqsgemäße Generator weder eine Brückenschaltung für die Erregerstromumschaltung, noch zusätzliche Steuerelemente für die Konstantstromsteuerung. Außerdem können bei ihm alle über die Erreqerspule fließenden Erreqerströme über das Erregerstrom-Meßelement qeführt werden, so daß der Erregerstrom mit qroßer Genauigkeit gemessen werden kann.

Demzufolge können die Konstantstromsteuerung des Erregerstroms und die Aufrechterhaltung einer festen Amplitude eines durch den Erregerstrom gebildeten Magnetfeldes mit großer Genauigkeit erreicht werden. Die Verwendung einer kleineren Zahl von Steuerelementen ermöglicht eine Senkung des Stromverbrauchs durch diese EIe-

mente. Der erfindunqsqemäße Generator arbeitet mithin mit qerinqerem Temperaturanstieg und damit mit wirtschaftlicherer Enerqienutzunq.

In bevorzuqter Ausführunqsform wird eine mit einer Wechselspannunqsversorqunq verbundene Spannunqsverdoppler-Gleichrichterschaltung als Erreqerstromquelle für den Generator verwendet. In diesem Fall wird Strom durch einen der beiden, die Spannunqsverdoppler-Gleichrichterschaltung bildenden und abwechselnd eine Gleichrichtung bewirkenden Schaltkreise in der einen und durch den anderen Schaltkreis in der anderen Richtung geführt. Bei der Umkehrung der Fließrichtung des Erregerstroms kann bei dieser Anordnung ein in der Gleichrichterschaltung vorgesehener Kondensator, über den bisher kein Erregerstrom geflossen ist, im voraus auf die Spitzenspannung der Wechselstromversorgung aufgeladen werden, so daß die im Kondensator gespeicherten elektrischen Ladungen in der Anfangsphase der Erregerstromumkehrung an die Erregerspule angelegt werden können. Die Anstiegszeit des Erregerstroms kann daher stark verkürzt werden, so daß der Erregerstrom nach der Umkehrunq schnell eine vorbestimmte Rechteckwellenamplitude erreichen kann. Beim erfindungsgemäßen Rechteckwellenstrom-Generator wird der über die einzelnen Steuerlemente fließende Strom durch die Meßeinheit des Operationsverstärkers gesteuert, welche die Differenz zwischen der Größe eines Spannungsabfalls am Erregerstrom-Meßwiderstand und einer durch den Bezugssignalgenerator gelieferten Bezugsspannung erfaßt und dann die Basisströme der Steuerelemente nach Maßgabe der Spannungsdifferenz ändert. Auch wenn die Spannungsdifferenz sehr klein ist, beginnen die Steuerelemente sofort zu arbeiten und die über die Spule fließenden Ströme mit hoher Ansprechempfindlichkeit zu steuern, so daß der Strom dem Bezugsspannungssignal entspricht.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Rechteckwellenstrom-Generators gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 bis 5 Schaltbilder dreier Ausführungsformen des Bezugssignalgenerators beim erfindunqsqemäßen Rechteckwellenstrom-Generator und

Fiq. 6 und 7 Schaltbilder weiterer Ausführunqsformen der Erfindung.

Fiq. 1 veranschaulicht in einem Schaltbild eine qrundsätzliehe Ausführunqsform des erfindunqsqemäßen Rechteckwellenstrom-Generators. Ein Stromversorqunqsteil 10 umfaßt dabei zwei in Reihe qeschaltete Stromquellen 12 und 14 gleicher Kapazität, an deren Verbindung oder Verzweigung eine Mittelklemme oder -anzapfung 16 vorgesehen ist. Die Kollektoren eines npn-Transistors 18 und eines pnp-Transistors 20 als Steuerelementpaar sind an Plus- bzw. Minusklemme des Stromversorgungsteils 10 angeschlossen, während die Emitter dieser Transistoren 18 und 20 über eine Mittelklemme 22 beide an Masse liegen. Dioden 24 und 26 zum Schütze der Transistoren 18 bzw. 20 sind zu letzteren parallel geschaltet. Zwischen die Mittelklemmen 16 und 22 sind eine Erregerspule 28 zur Erzeugung eines vorbestimmten Magnetfelds und ein Strommeßelement bzw. ein Meßwiderstand 30 zur Messung eines über die Erregerspule 28 fließenden Stroms geschaltet. Die Basiselektroden der Transistoren 18 und 20 sind über Widerstände 32 bzw. 34 mit der Ausgangsklemme eines Operationsverstärkers

36 verbunden, dessen nicht-invertierende Eingangsklemme mit der Verzweigung zwischen Erregerspule 28 und Meßwiderstand 30 verbunden ist, während seine invertierende Eingangsklemme an einen Bezugssignalgenerator 38 zur Lieferung eines symmetrischen Rechteckwellenspannungssignals bzw. Bezugsspannungssignals, das mit einer vorgegebenen Periode und einer vorgegebenen Amplitude variiert, angeschlossen ist. Als Transistoren 18 und 20 können n- bzw. p-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp verwendet werden.

Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die npn- und pnp-Transistoren 18 bzw. 20 in der Schaltung nach Fig. 1 gegeneinander

vertauscht sind, die Verzweigung zwischen der Erregerspule 28 und dem Meßwiderstand 30 an die invertierende Eingangsklemme eines Verstärkerteils bzw. Operationsverstärkers 36a angeschlossen ist und der Ausgang des Bezugssignalgenerators 38 mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36a verbunden ist. In diesem Fall können ebenfalls p- und n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp für pnp- und npn-Transistoren 20 bzw. 18 verwendet werden.

Die Fig. 3 bis 5 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen des Bezugssignalgenerators 38. Der Bezugssignalgenerator 38a gemäß Fig. 3 umfaßt einen Umschalter 40 und zwei in Reihe geschaltete Bezugsspannungsquellen (voltage references) 42a und 42b derselben Kapazität.

Die Verzweigung zwischen den Bezugsspannungsquellen 4 2a und 42b liegt dabei an Masse. Der Umschalter 40 weist eine Ausgangsklemme 40a und Eingangsklemmen 40b und 40c auf, die mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36, der Plus-Klemme der Bezugs-

Spannungsquelle 42a bzw. der Minusklemme der Bezugsspannungsquelle 42b verbunden sind. Der Umschalter 40 arbeitet nach Maßgabe eines Befehlssignals, das von einem Befehlssignalgenerator 46 mit einer vorgegebenen Periode geliefert wird, wobei die Ausgangsklemme 40a mit der vorgegebenen Periode abwechselnd zwischen den Eingangsklemmen 40b und 40c umgeschaltet wird. Auf diese Weise wird ein Bezugsspannungssignal bzw. ein symmetrisches Rechteckwellenspannungssignal, das mit der vorgegebenen Periode variiert, von der Ausgangsklemme 40a zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36 geliefert.

Beim Bezugssignalgenerator 38b gemäß Fig. 4 ist die Eingangsklemme 40b des Umschalters 40 über einen Umsetzer- bzw. Inverterkreis 50 mit der Eingangsklemme 40c und außerdem mit der Plus-Klemme einer einzigen Bezuqsspannungsquelle 42 verbunden. Die Ausgangsklemme 40a ist an ein Potentiometer 48 angeschlossen, dessen eines Ende an Masse liegt. Eine Schleiferleitung 48a des Potentiometers ist mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 verbunden. Die Eingangsklemme 40b liegt, bezogen auf Massepotential, an einem positiven Potential, während die Eingangsklemme 40c an einem negativen Potential liegt. Wenn der Umschalter 40 in Abhängigkeit vom Befehlssignal des Befehlssignalgenerators 46 arbeitet, wird daher die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 mit demselben Bezugsspannungssignal wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 beschickt. Das Potentiometer 48 dient zur Einstellung der !Amplitude des dem Operationsverstärker 36 qelieferten Bezuqsspannunqssiqnals, um damit die Amplitude des über die Spule 28 zu führenden Erregerstroms zu steuern.

Der dritte Bezugssignalgenerator 38c gemäß Fig. 5 umfaßt einen Umschalter 52 aus drei Schalterteilen 54, 56 und 58,

einen Kondensator 60, die Bezugsspannungsquelle 42 und ein Potentiometer 62. Das Schalterteil 54 weist eine Ausgangsklemme 54a sowie Eingangsklemmen 54b und 54c auf; das Schalterteil 56 umfaßt drei Kontakte 56a, 56b und 56c; und das Schalterteil 58 ist mit drei Kontakten 58a, 58b und 58c versehen. Die Ausgangsklemme 54a des Schalterteils 54 ist mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 3 6 verbunden, während die Eingangsklemme 54b mit dem zweiten Kontakt 56b des

TO Schalterteils 56 und der Schleiferleitung des Potentiometers 62 verbunden ist. Die Eingangsklemme 54c des Schalterteils 54 ist an den dritten Kontakt 58c des Schalterteils 58 angeschlossen. Die jeweiligen ersten Kontakte 56a und 58a der Schalterteile 56 bzw. 58 sind jeweils an eines der beiden Enden des Kondensators 60 angeschlossen. Der dritte Kontakt 56c des Schalterteils 56 und der zweite Kontakt 58b des Schalterteils 58 liegen an Masse. Die Minusklemme der Bezugsspannungsguelle 52 und die eine Seite des Widerstands des Potentiometers 62 liegen an Masse, während die Plus-Klemme der Bezugsspannungsquelle 42 und die andere Seite des Widerstands des Potentiometers 62 zusammengeschaltet sind. Die Schalterteile 54, 56 und 58 werden in Abhängigkeit vom Befehlssignal des Befehlssignalgenerators 46 zwischen den im folgen-5 den erläuterten ersten und zweiten Stellungen bzw. Betriebsarten umgeschaltet.

In der ersten Betriebsart sind am Schalterteil 54 Ausgangs- und Eingangsklemmen 54a bzw. 54b miteinander verbunden, während beim Schalterteil 56 erster und zweiter Kontakt 56a bzw. 56b (miteinander) verbunden sind und beim Schalterteil 58 erster und zweiter Kontakt 58a bzw. 58b miteinander verbunden sind. In dieser ersten Betriebsart ist daher die positive Ausgangsspannungsseite des Potentiometers 62 über die Schleiferleitung

sowie Eingangs- und Ausgangsklemmen 54b bzw. 54a des Schalterteils 54 an die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 sowie über zweiten und ersten . Kontakt 56b bzw. 56a des Schalterteils 56 an die eine Klemme des Kondensators 60 angeschlossen. Die andere Klemme des Kondensators liegt über ersten und zweiten Kontakt 58a bzw. 58b des Schalterteils 58 an Masse. In der zweiten Betriebsart sind die Klemmen 54a, 54c, die Kontakte 56a und 56c sowie die Kontakte 58a und 58c jeweils miteinander verbunden. Im Gegensatz zur ersten Betriebsart ist daher die negative Spannungsseite des Kondensators 60 mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 verbunden. Da der die Schalterteile 54 bis 58 aufweisende Umschalter 52 in Abhängigkeit vom Signal des Befehlssignalgenerators 46 mit einer vorgegebenen Periode umschaltet, werden Spannungen derselben Absolutgröße und verschiedener Polarität abwechselnd zwischen die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 und Masse angelegt. Während der Bezugssignalgenerator 38a (Fig. 3) zwei Bezugsspannungsquellen 42a und 42b benötigt, benötigen die Bezugssignalgeneratoren 38b und 38c gemäß Fig. 4 bzw. 5 jeweils nur eine einzige Bezugsspannungsquelle 42.

Die bei den Bezugssignalgeneratoren 38a, 38b und 38c gemäß Fig. 3/ 4 bzw. 5 verwendeten Umschalter 40 und 52 können Halbleiterschalter, mechanische Schalter oder andere geeignete, herkömmliche Schalter sein.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 1 erläutert. Hierbei sei vorausgesetzt, daß der Bezugssignalgenerator 38a gemäß Fig. 3 verwendet wird. Wenn das symmetrische Rechteckwellenspannungssignal vom Umschalter 40 zur invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 geliefert wird, nachdem Aus-:

gangs- und Eingangsklemmen 40a bzw. 40b in Abhängigkeit vom Befehlssignal des Befehlssignalgenerators 46 zusammengeschaltet worden sind, liefert der Operationsverstärker 36 das Bezugsspannungssignal in einem invertierten Zustand. Der Transistor 18 wird daher in Sperrichtung vorgespannt und gesperrt, während der Transistor 20 in Durchschaltrichtung vorgespannt und daher durchgeschaltet wird. Infolgedessen fließt Strom von der Plus-Klemme der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle 14 über die Erregerspule 28, den Meßwiderstand 30 und den Transistor 20 zu ihrer Minus-Klemme. Hierbei werden ein am Meßwiderständ 30 hervorgerufener Spannungsabfall und eine vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferte Ausgangsspannung mittels des Operationsverstärkers 36 gleich groß eingestellt. Der über die Erregerspule 28 fließende Erregerstrom erhält daher eine feste Stromgröße, die der Amplitude des vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferten Spannungssignals entspricht*

Wenn hierauf Ausgangs- und Eingangsklemme 4Ca bzw. 40c bei der Betätigung des Umschalters 40 nach Fig. 3 miteinander verbunden werden, liefert dar Operationsverstärker 36 ein positives Spannungssignal. Hierdurch werden der Transistor 20 in Sperrichtung und der Transistor 18 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Strom fließt daher von der Plusklemme der Gleichstromquelle 12 über den Transistor 18, den Meßwiderstand 30 und die Erregerspule zu ihrer Minus-Klemme. Die Stromflußrichtung ist dabei derjenigen vor dem Umschalten des Umschalters 40 entgegengesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein negatives (bezogen auf Massepotential) Spannungssignal vom Bezugssignalgenerator 38 an die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 angelegt, während ein Spannungsabfall (negativ, bezogen auf Massepotential) am Meßwiderstand 30 an der nicht-invertierenden Eingangs-

klemme anliegt. Aus diesem Grund besitzt der über die Erregerspule 28 fließende Erregerstrom dieselbe Größe wie der vor dem Umschalten des Umschalters 40 gelieferte Erregerstrom. Wie sich aus den obigen Ausführungen er*· gibt, kehrt das durch den über die Erregerspule 28 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld seine Richtung in derselben Periode wie das vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferte Bezugsspannungssignal um, und das umgekehrte oder invertierte Magnetfeld besitzt dabei dieselbe Größe wie vorher.

Ersichtlicherweise können anstelle des Signalgenerators 38a nach Fig. 3 (bei der Schaltung gemäß Fig. 1) wahlweise auch die Signalgeneratoren 38b oder 38c nach Fig. 4 bzw. 5 verwendet werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform besitzen die Transistoren (gegenüber Fig. 1) jeweils die entgegengesetzte Polarität so daß auch die zugeordneten Elemente eine unterschiedliche Polarität besitzen. Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 2 braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden, da sie im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung der Ausführungsform nach Fig. 1 offensichtlich sein dürfte.

Bei den Rechteckwellenstrom-Generatoren gemäß Fig. 1 und 2 können die über die Erregerspule 28 und den Meßwiderstand 30 zu führenden Ströme als im wesentlichen äquivalent angesehen werden. Demzufolqe können die Amplituden des Erreqerstroms und des Bezuqssoannunqssiqnals mit hoher Genauigkeit einander anqeqlichen bzw. qleich groß gemacht werden, indem der über die Transistoren 18 und fließende Strom so gesteuert bzw. einqestellt wird, daß der Unterschied zwischen dem am Meßwiderstand 30 auftretenden Spannungsabfall und der Amplitude des Bezugs-

Spannungssignals, verglichen durch den Operationsverstärker 36, gleich Null ist.

Die Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 verwenden weniger Steuerelemente bzw. Transistoren als der bisherige Rechteckwellenstrom-Generator. Dieser Vorteil der Erfindung ist dem im folgenden beschriebenen Umstand zuzuschreiben. Die bisherige Konstruktion verwendet vier Schalttransistoren in einer Brückenschaltung zum Umschalten der Richtung des Erregerstroms sowie einen weiteren Transistor für die Konstantstromsteuerung des ErregerStroms. Die Generatoren nach Fig. 1 und 2 weisen dagegen eine elektrische Schaltung auf, die zwei Transistoren 18 und 20 zur Durchführung sowohl des Umschaltens als auch der Konstantstromsteuerung verwendet.

Die verkleinerte Zahl von Transistoren sowie die Schaltungsanordunq, bei welcher weniqer Transistoren gleichzeitig in Betrieb sind, führen außerdem zu einer beträchtliehen Senkunq des Stromverbrauchs. Der erfindunqsqemäße Rechteckwellenstrom-Generator arbeitet daher mit verringertem Temperaturanstieg und energiesparend. Beim bisherigen Generator arbeiten zwei der vier Transistoren, welche die Brückenschaltung bilden, sowie der Transistor für die Kontaktstromsteuerung ständig.Beim erfindungsgemäßen Generator arbeiten dageqen die Transistoren 18 und 20 abwechselnd und niemals gleichzeitig.

Fig. 6 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rechteckwellenstrom-Generators, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß eine Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung 66 anstelle des Stromversorgungsteils 10 gemäß Fig. 1 vorgesehen ist. Die Anordnung nach Fig. 6 umfaßt eine Wechselspannungsversorgung 68, Gleichrichter-

elemente 7Oa und 70b, Glättungswiderstände 72a und 72b sowie Glättungskondensatoren 74a und 74b. Ein die Elemente 70a, 72a und 74a enthaltender, mit einer gestrichelten Linie umrahmter Schaltkreis wird als erster Gleichrichter-Glättunqskreis 76a bezeichnet. Ebenso wird ein anderer, die Elemente 70b, 72b und 74b enthaltender, ebenfalls von einer gestrichelten Linie umrahmter Schaltkreis als zweiter Gleichrichter-Glättungskreis 7 6b bezeichnet. Aufbau und Arbeitsweise der anderen Abschnitte entsprechen den betreffenden Abschnitten bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Wenn auf die anhand von Fig. 1 beschriebene Weise ein positiver Spannungsausgang vom Operationsverstärker 36 zum Durchschalten und Sperren der Transistoren 18 bzw. 20 geliefert wird, fließt ein Erregerstrom gemäß Fig. 6 von rechts nach links durch die Erregerspule 28, nachdem er über die obere (upper-side) Klemme der Wechselspannungsversorgung 68, den Gleichrichter-Glättungskreis 76a, den Transistor 18 und den Meßwiderstand 30 in einem ersten Erregerkreis 80a geflossen ist. Der über die Erregerspule 28 fließende Strom fließt daher nicht über einen zweiten Erregerkreis 80b. Im zweiten Erregerkreis 80b wird der Kondensator 74 auf die Spitzenspannung Vp der Wechselstromversorgung 68, d.h. auf das Y"2-fache der Effektivspannung, aufgrund der Wirkung des zweiten Gleichrichter-Glättungskreises 76b aufgeladen. In diesem Fall liegt die obere Seite des Kondensators 74b an einem hohen, seine untere Seite an einem niedrigen Potential. Aufgrund eines Spannungsabfalls am Widerstand 72a verringert sich die an den Kondensator 74a des ersten Gleichrichter-Glättungskreises 76a angelegte Spannung. Wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 3 6 nach Ablauf einer gegebenen Zeit in eine negative Spannunq umgesetzt wird, werden die Transistoren 18 und 20 zum Sperren bzw. Durchschalten gebracht. Daraufhin wird die Lieferung des Erregerstroms durch den

rs - A3

ersten Erregerkreis 80a beendet, wobei ein großer Übergangsstrom von links nach rechts über die Erregerspule 28 durch den Kondensator 74b des zweiten Erregerkreises 80 geführt wird, welcher vorher auf die Spitzenspannung Vp der Wechselspannungversorgung 68 aufgeladen worden ist. Außerdem fließt ein Strom von der unteren Klemme der
Wechselspannungsversorgung 68 von links nach rechts
über die Erregerspule 28, den Meßwiderstand 30, den
Transistor 20 und den zweiten Gleichrichter-Glättungskreis 7 6b. Zwischenzeitlich beginnt sich der Kondensator 74a auf die Spitzenspannung Vp aufzuladen, während die Spannung des Kondensators 76b abfällt. Diese Inversion oder Umkehrung des Erregerstroms wird unmittelbar nach der Polaritätsänderung des vom Bezugssignalgenerator 3 8 gelieferten Bezugsspannungssignals erreicht. Obgleich sich die Polarität des durch die Erregerspule 28 erzeugten Magnetfelds mit einer gegebenen Periode umkehrt,
bleibt die Amplitude des Magnetfelds unveränderbar.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 gewährleistet den Vorteil, daß die Anstiegszeit des Erregerstroms, d.h. die Zeit für das Einpendeln des Erregerstroms auf einer vorbestimmten Größe bei seiner Umkehrung, wesentlich verkürzt und der Stromverbrauch durch die Transistoren 18 und 20 herabgesetzt ist. Dies ist den im folgenden beschriebenen Umständen zuzuschreiben. Wenn die Transistoren 18 und 20 sperren bzw. durchschalten, wird die Zufuhr des Erregerstroms vom ersten Erregerkreis 80a beendet, während der vom zweiten Erregerkreis 80b gelieferte Erregerstrom in der entgegengesetzten Richtung
zu fließen beginnt. Gleichzeitig wird die elektrische
Ladung des Kondensators 74b, der vorher auf die Spitzenspannung aufgeladen worden ist, als großer Strom in
derselben Richtung wie der vom zweiten Erregerkreis 80b gelieferte Strom entladen. Die Periode der Polaritäts-

Umwandlung bzw. -umkehrung des an die Basiselektroden der Transistoren 18 und 20 angelegten Bezugsspannungssignals ist normalerweise länger als der Zyklus bzw. die Periode der Wechselstromversorgung 68/ z.B. 4- bis 16-mal so lang wie die Stromversorgungsperiode im Fall eines elektromagnetischen Strömungsmessers. Der Kondensator 74b wird daher auf die Spitzenspannung Vp mit ausreichender Reservezeit vor dem Durchschalten des Transistors 20 aufgeladen. Dies trifft ohne Rücksicht auf die Richtung des Erregerstroms zu. Da die Anstiegszeit des Erregerstroms, wie erwähnt, sehr kurz ist, erreicht das durch die Umkehrung des Erregerstroms geänderte Magnetfeld sehr schnell und mit kurzer Einschwingzeit eine vorbestimmte Größe. Demzufolge kann mittels einer das invertierte oder das sich umkehrende Magnetfeld ausnutzenden Vorrichtung, z.B. mit einem elektromagnetischen Strömungsmesser eine Messung der Strömungsmenge oder -geschwindigkeit in sehr stabiler und zuverlässiger Weise erfolgen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 kann für die Wechselstromversorgung 68 ein übliches Stromnetz benutzt werden, so daß die Verwendung des Gleichstromversorgungsteils 10 gemäß Fig. 1 und 2 unnötig ist. Wenn an das Stromnetz ein Transformator angeschlossen ist, kann der Drahtwicklungswiderstand (wire-wound resistor) des Transformators unmittelbar anstelle der Widerstände 72a und 72b in den Gleichrichter-Glättungskreisen 76a bzw. 7 6b verwendet werden. Wahlweise können für diesen Zweck die Arbeitswiderstände der Gleichrichterelemente 70a und 70b benutzt werden.

Dies bedeutet, daß die Widerstände 72a und 72b nicht wesentlich sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist eine automatische Kompensierschaltung 100 zwischen den Operationsverstärker 36 und den Bezugssignalgenerator 38 der Aus-

führungsform nach Pig. 1 geschaltet. Diese Kompensierschaltung 100 kann Ungleichmäßigkeiten der positiven und negativen Amplituden des vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferten Bezugsspannungssignal und Änderungen oder Abweichungen in der Größe des Erregerstroms bei Änderung der Fließrichtung aufgrund von Abweichung (offset) des Operationsverstärkers 38 u.dgl. verhindern. In der automatischen Kompensierschaltung 100 wird ein am Meßwiderstand 30 auftretender Spannungsabfall durch einen Integrationskreis 113 integriert, der aus einem Widerstand 102, einem Kondensator 104 und einem Operationsverstärker 106 besteht, und über einen Inverterkreis 108 geführt. Die jeweiligen Ausgangssignale des Inverterkreises 108 und des Bezugssignalgenerators 3 8 werden gemischt und an die invertierende Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 110 angelegt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 110 wird der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 aufgeprägt. Die invertierende Eingangsklemme und die Ausgangsklemme des Operations-Verstärkers 110 sind über einen Widerstand 112 (miteinander) verbunden, während die nicht-invertierende Klemme an Masse liegt. Die Zeitkonstante einer Kombination aus dem Widerstand 102 und dem Kondensator 104 in bezug auf den Integrationskreis 113 ist größer als die Umkehrungsperiode des Erregerstroms. Ein am Operationsverstärker 106 angeordneter variabler bzw. Regelwiderstand 114 dient zum Kompensieren der Abweichung bzw. des Versatzes des Operationsverstärkers 106.

Wenn sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 die Größe des Erregerstroms aus irgendeinem Grund mit der Fließrichtung ändert, so daß der gemäß Fig. 7 von rechts nach links fließende Erregerstrom ansteigt und der in Gegen·*· richtung fließende Erregerstrom abfällt, wird die an der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstär-

kers 106 anliegende Spannung zu einer negativen Spannung, wenn der Strom von rechts nach links fließt. In der anderen Stromflußrichtung wird die Spannung zu einer positiven Spannung mit einer kleineren Amplitude als derjenigen der negativen Spannung. Vom Integrationskreis 113 wird somit eine positive Spannung geliefert, die durch den Umsetzerbzw. Inverterkreis 108 in eine negative Spannung umgesetzt wird. Die negative Spannung wird zusammen mit dem Bezugsspannungssignal vom Bezugssignalgenerator 38 der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 110 aufgeprägt. Als Ergebnis wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 110 in Richtung auf das positive Potential vorgespannt, während das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 36 in Richtung auf das negative Potential vorgespannt wird. Infolgedessen wird der von rechts nach links nach dem Transistor 18 über die Erregerspule fließende Erregerstrom reduziert, während der von links nach rechts nach dem Transistor 20 über die Erregerspule 28 fließende Erregerstrom ansteigt. Diese Wirkung dauert an, bis der Erregerstrom unabhängig von der Fließrichtung im wesentlichen konstant wird. Die Verwendung der automatischen Kompensierschaltung 100 vermeidet die Notwendigkeit dafür, daß das vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferte Bezugsspannungssignal ein genau symmetrisches Rechteckwellensignal sein muß. Wenn am verwendeten Operationsverstärker eine Abweichung bzw. ein Versatz (offset) vorliegt, wird diese bzw. dieser durch die automatische Kompensierschaltung 100 ausgeglichen, so daß die Erregerspule 28 ein dem Bezugsspannungssignal entsprechendes Magnetfeld bilden kann.

In den Fig. 1, 2, 6 und 7 sind die Transistoren 18 und 20 als einziges Paar von Steuerelementen dargestellt. In Abhängigkeit von den Größen der Speisespannung und des Erregerstroms können jedoch die Transistoren 18 und

20 durch eine größere Zahl von in Reihen-, Paralleloder Reihen-Parallel-Schaltung vorliegenden Transistoren ersetzt werden.

Beispielsweise zum Prüfen eines elektromagnetischen Stromungsmessers kann ein einseitig gerichtetes Magnetfeld dadurch erzeugt werden, daß lediglich die Widerstände 30 und 34 mittels eines nicht dargestellten Schalters aus der Schaltung gemäß Fig. 7 ausgeschaltet werden.

Bei Verwendung eines Kondensators 35 mit kleinem Streustrom und kleiner Eingangsvorspannung hält bzw. speichert der Operationsverstärker 106 die Integrationsspannung unmittelbar vor der Stromunterbrechung, so daß bei der Prüfung des elektromagnetischen Stromungsmessers ein Abfallen des Erregerstroms praktisch verhindert werden kann.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Q/. Rechteckwellenstrom-Generator, der eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds mit einem Erregerstrom speist, der seine Fließrichtung periodisch umkehrt, gekennzeichnet durch einen zur Lieferung des Erregerstroms dienenden Stromversorgungsteil (10) mit einer Mittelklemme oder -anzapfung (16), durch in Reihe über den Stromversorgungsteil (10) geschaltete Steuerelemente (18, 20) mit einer Mittelklemme oder -anzapfung (22) in der Mitte der Reihenschaltung, durch ein in Reihe mit der Erregerspule (28) zwischen die beiden Mittelklemmen (16, 22) geschaltetes Strom-Meßelement (30) zur Lieferung einer "Spannung entsprechend dem Erregerstrom, durch einen Bezugssignalgenerator (38) zur abwechselnden Lieferung von positiven und negativen Rechteckwellenspannungssignalen gleicher Amplitude mit einer vorgegebenen Periode und durch einen mit dem Ausgangssignal des Strom-Meß-

elements (30) und dem Rechteckwellenspannungssignal vom Bezugssignalgenerator gespeisten Verstärkerteil (36) zur abwechselnden Lieferung von Durchschalt- und Sperrsignalen zu den Steuerelementen (18, 20) auf beiden Seiten der zweiten Mittelklemme (22), um dabei einen bezüglich Periode, Amplitude und Polarität dem Rechteckwellenspannungssignal entsprechenden Erregerstrom über die Erregerspule fließen zu lassen.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil (10) zwei in Reihe geschaltete Gleichspannungs- oder -Stromversorgungen (12, 14) umfaßt.
3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil eine durch eine Wechselstromversorgung angesteuerte oder geführte (driven) Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung (66) ist.
4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgeneratör (38) einen Bezugssignalgenerator (38a) mit zwei in Reihe geschalteten Bezugsspannungsquellen (42a, 42b) und einem Umschalter (40) zum abwechselnden Umschalten zwischen Plus- und Minusklemmen der beiden in Reihe geschalteten Bezugsspannungsquellen (42a, 42b) umfaßt.
5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator (38) einen Bezugssignalgenerator (38b) mit einer einzigen Bezugsspannungsquelle (42), einem an die eine Elektrode oder Klemme der Bezugsspannungsquelle (42) angeschlossenen Umsetzer- bzw. Inverterkreis (50) und einem zwischen dieser einen Elektrode und der Äusgangsklemme des Inverterkreises (50) umschaltenden Umschalter (40) umfaßt.
6. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator eine einzige Bezugsspannungsquelle (42), einen Kondensator (60) und einen Dreifach-Zweistellungs-Schalter (52) aufweist, so daß dann, wenn sich der Schalter (52) in der einen Schaltstellung befindet, der Kondensator (60) mit der Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle (42) aufgeladen wird und die Hochpotentialseite der Bezugsspannungsquelle (42) mit der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers (36) verbunden ist, während in der anderen Schaltstellung des Schalters (52) die Hochpotentialseite der Bezugsspannungsquelle (42) von den anderen Schaltkreisen getrennt und die Niedrigpotentialseite des aufgeladenen Kondensators (60) mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers (36) verbunden ist.
7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil eine mit einer Wechselstromversorgung (68) verbundene Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung (66) ist.
8. Generator nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet durch eine automatische Kompensiereinheit (100) mit einem Integrationskreis (113) zum Integrieren des Ausgangssignals des Strom-Meßelements (30) und Einrichtungen (108, 110) zum Beschicken des Verstärkerteils (36) mit dem mittels des Ausgangssignals des Integrationskreises (113) vorgespannten Ausgangssignal des Bezugssignalgenerators (38), wobei die Steuerelemente (18, 20) so ansteuerbar sind, daß das Ausqanqssiqnal des Inteqrationskreises (113) gleich Null ist.