DE3311662C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1

Elektromagnetische Strömungsmesser, die ein Rechteckwellen- 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 Strömungsmittels 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 Wechselwirkung zwischen den Elektroden und dem Strömungsmittel zurückzuführen sind. Außerdem können Störsignale, 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 festgelegt ist, herabgesetzt werden, weil der Erregerstrom ein Rechteckwellenstrom ist. Außerdem können auf Streukapazität in den Leitungen und der Erregerspule, mit den Elektroden gekoppelt, 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. Ein 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 Ausgangssignal eines Operationsverstärkers gesteuert bzw. eingestellt, dessen Eingang ein Gleichspannungs-Bezugssignal 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 Eingangssignalen 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 Bezugsspannungssignal und dem Spannungssignal vom symmetrischen Rechteckwellenstrom- Generator eingestellt.

Beim Rechteckwellenstrom-Generator mit dem beschriebenen Aufbau kann unter Verwendung einer einzigen Stromversorgung ein konstanter Strom in zwei Richtungen zum Fließen gebracht werden. Dieser Generator ist jedoch immer noch mit den folgenden Mängeln behaftet: Die Basisströme der beiden Transistoren von den vier Transistoren der Brückenschaltung, die an der Seite des Meßwiderstands und des Konstantstromsteuer-Transistors liegen, fließen nicht über die Erregerspule, sondern über den Meßwiderstand. Infolgedessen liegt ein Fehler bzw. eine Unstimmigkeit zwischen den Amplituden des Erregerstroms und des Bezugsspannungssignals vor. Außerdem führen Streuströme an den vier, die Brückenschaltung bildenden Transistoren Fehler ein. Von diesen Fehlern kann der den Basisströmen zuzuschreibende Fehler durch Verwendung von MOSFETs ausgeräumt werden. Die derzeit verfügbaren Feldeffekttransistoren benötigen jedoch eine zusätzliche Stromversorgung sowie die Gleichspannungsversorgung zur Lieferung positiver und negativer Erregerströme. Außerdem erfordert dieser bisherige Generator eine ziemlich große Zahl von Transistoren, einschließlich der vier Transistoren in der Brückenschaltung und des Konstantstromsteuer-Transistors. Die vier Transistoren der Brückenschaltung müssen zum Schalten des Erregerstroms von einem Hochleistungstyp sein. Da der Erregerstrom im Betrieb ständig über zwei der vier Transistoren in der Brückenschaltung und über den Konstantstromsteuer-Transistor fließt, verbrauchen diese drei Transistoren ziemlich viel elektrische Leistung. Hierdurch werden die Transistoren, und somit die gesamte Schaltung, weniger zuverlässig.

Aus der US-PS 39 09 701 ist eine Energiesparstromquelle bekannt, die speziell für das Ablenkjoch einer Elektronenstrahlröhre eingesetzt werden soll. Bei dieser Stromquelle wird der durch ein Lastjoch fließende Strom mittels eines Fühlwiderstandes erfaßt und in seiner Stärke durch Verstärker eingestellt. Wenn nun bei dieser bekannten Stromquelle eine große Stromänderung gewünscht wird, dann werden zwei Schalter eingeschaltet, so daß ein großer Strom von einem Stromversorgungsteil zum Lastjoch gespeist werden kann. Auf diese Weise wird die Steuerung des Magnetfeldes entsprechend einer Eingangsspannung beschleunigt. Transistoren bilden mit den Steueranschlüssen der Schalter verbundene Steuerschaltungen, die die Schalter einschalten, wenn der durch einen Widerstand fließende Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Weiterhin ist aus dem US-Buch: W. G. Jung, IC Op-Amp Cookbook, Howard, W. Sams, Indianapolis, 1981, Seiten 183 und 184, eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der der Verbindungspunkt zwischen Transistoren über Lastwiderstände geerdet ist. Der Widerstandswert des einen Lastwiderstands beträgt dabei 10 Ohm, während für den anderen Lastwiderstand ein Widerstandswert von 90 Ohm vorgesehen ist. Das heißt, bei der bekannten Schaltungsanordnung ist der Verbindungspunkt zwischen den Emittern der Transistoren jedenfalls nicht direkt geerdet. Um bei der bekannten Schaltungsanordnung einen Laststrom durch den anderen Widerstand fließen zu lassen, muß ein Verstärker eine Ausgangsspannung erzeugen, die die Summe ist aus einerseits der zum Betrieb der Transistoren notwendigen Spannung und andererseits dem Produkt aus dem Laststrom und dem Gesamtwiderstandswert der beiden Lastwiderstände.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine speziell für Strömungsmesser geeignete Schaltungsanordnung zu schaffen, bei der eine vergleichsweise niedrige Stromquellenspannung für den Betrieb eines Verstärkers benötigt wird, und die mit wenigen Bauteilen auskommt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 7.

Die Steuerelemente sind auf die in Reihe über den Stromversorgungsteil geschalteten Elemente beschränkt und vermögen sowohl die Erregerstromumschaltung als auch die Konstantstromsteuerung oder -regelung durchzuführen. Es wird weder eine Brückenschaltung für die Erregerstromumschaltung benötigt, noch sind zusätzliche Steuerelemente für die Konstantstromsteuerung vorgesehen. Außerdem können alle über die Erregerspule fließenden Erregerströme über das Erregerstrom-Meßelement geführt werden, so daß der Erregerstrom mit großer 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 Elemente. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet mithin mit geringerem Temperaturanstieg und damit mit wirtschaftlicherer Energienutzung.

In bevorzugter Ausführungsform wird eine mit einer Wechselspannungsversorgung verbundene Spannungsverdoppler- Gleichrichterschaltung als Erregerstromquelle verwendet. In diesem Fall wird Strom durch einen der beiden, die Spannungsverdoppler-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 Umkehrung schnell eine vorbestimmte Rechteckwellenamplitude erreichen kann. Der über die einzelnen Steuerelemente fließende Strom wird 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 zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 bis 5 Schaltbilder dreier Ausführungsformen des Bezugssignalgenerators und

Fig. 6 und 7 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 veranschaulicht in einem Schaltbild eine grundsätzliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Ein Stromversorgungsteil 10 umfaßt dabei zwei in Reihe geschaltete 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 Schutze 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 36 a angeschlossen ist und der Ausgang des Bezugssignalgenerators 38 mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 a 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 38 a gemäß Fig. 3 umfaßt einen Umschalter 40 und zwei in Reihe geschaltete Bezugsspannungsquellen 42 a und 42 b derselben Kapazität. Die Verzweigung zwischen den Bezugsspannungsquellen 42 a und 42 b liegt dabei an Masse. Der Umschalter 40 weist eine Ausgangsklemme 40 a und Eingangsklemme 40 b und 40 c auf, die mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36, der Plus-Klemme der Bezugsspannungsquelle 42 a bzw. der Minusklemme der Bezugsspannungsquelle 42 b verbunden sind. Der Umschalter 40 arbeitet nach Maßgabe eines Befehlssignals, das von einem Befehlssignalgenerator 46 mit einer vorgegebenen Periode geliefert wird, wobei die Ausgangsklemme 40 a mit der vorgegebenen Periode abwechselnd zwischen den Eingangsklemmen 40 b und 40 c umgeschaltet wird. Auf diese Weise wird ein Bezugsspannungssignal bzw. ein symmetrisches Rechteckwellenspannungssignal, das mit der vorgegebenen Periode variiert, von der Ausgangsklemme 40 a zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36 geliefert.

Beim Bezugssignalgenerator 38 b gemäß Fig. 4 ist die Eingangsklemme 40 b des Umschalters 40 über einen Umsetzer- bzw. Inverterkreis 50 mit der Eingangsklemme 40 c und außerdem mit der Plus-Klemme einer einzigen Bezugsspannungsquelle 42 verbunden. Die Ausgangsklemme 40 a ist an ein Potentiometer 48 angeschlossen, dessen eines Ende an Masse liegt. Eine Schleiferleitung 48 a des Potentiometers ist mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 verbunden. Die Eingangsklemme 40 b liegt, bezogen auf Massepotential, an einem positiven Potential, während die Eingangsklemme 40 c 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 gelieferten Bezugssspannungssignals, um damit die Amplitude des über die Spule 28 zu führenden Erregerstroms zu steuern.

Der dritte Bezugssignalgenerator 38 c 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 54 a sowie Eingangsklemmen 54 b und 54 c auf; das Schalterteil 56 umfaßt drei Kontakte 56 a, 56 b und 56 c; und das Schalterteil 58 ist mit drei Kontakten 58 a, 58 b und 58 c versehen. Die Ausgangsklemme 54 a des Schalterteils 54 ist mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 verbunden, während die Eingangsklemme 54 b mit dem zweiten Kontakt 56 b des Schalterteils 56 und der Schleiferleitung des Potentiometers 62 verbunden ist. Die Eingangsklemme 54 c des Schalterteils 54 ist an den dritten Kontakt 58 c des Schalterteils 58 angeschlossen. Die jeweiligen ersten Kontakte 56 a und 58 a der Schalterteile 56 bzw. 58 sind jeweils an eines der beiden Enden des Kondensators 60 angeschlossen. Der dritte Kontakt 56 c des Schalterteils 56 und der zweite Kontakt 58 b des Schalterteils 58 liegen an Masse. Die Minusklemme der Bezugsspannungsquelle 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 folgenden erläuterten ersten und zweiten Stellungen bzw. Betriebsarten umgeschaltet.

In der ersten Betriebsart sind am Schalterteil 54 Ausgangs- und Eingangsklemmen 54 a bzw. 54 b miteinander verbunden, während beim Schalterteil 56 erster und zweiter Kontakt 56 a bzw. 56 b (miteinander) verbunden sind und beim Schalterteil 58 erster und zweiter Kontakt 58 a bzw. 58 b miteinander verbunden sind. In dieser ersten Betriebsart ist daher die positive Ausgangsspannungsseite des Potentiometers 62 über die Schleiferleitung sowie Eingangs- und Ausgangsklemmen 54 b bzw. 54 a des Schalterteils 54 an die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 sowie über zweiten und ersten Kontakt 56 b bzw. 56 a des Schalterteils 56 an die eine Klemme des Kondensators 60 angeschlossen. Die andere Klemme des Kondensators liegt über ersten und zweiten Kontakt 58 a bzw. 58 b des Schalterteils 58 an Masse. In der zweiten Betriebsart sind die Klemmen 54 a, 54 c, die Kontakte 56 a und 56 c sowie die Kontakte 58 a und 58 c 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 38 a (Fig. 3) zwei Bezugsspannungsquellen 42 a und 42 b benötigt, benötigen die Bezugssignalgeneratoren 38 b und 38 c gemäß Fig. 4 bzw. 5 jeweils nur eine einzige Bezugsspannungsquelle 42.

Die bei den Bezugssignalgeneratoren 38 a, 38 b und 38 c 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 38 a gemäß Fig. 3 verwendet wird. Wenn das symmetrische Rechteckwellenspannungssignal vom Umschalter 40 zur invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 36 geliefert wird, nachdem Ausgangs- und Eingangsklemmen 40 a bzw. 40 b 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 Meßwiderstand 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 40 a bzw. 40 c bei der Betätigung des Umschalters 40 nach Fig. 3 miteinander verbunden werden, liefert der 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 28 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 Eingangsklemme 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 ergibt, 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 38 a nach Fig. 3 (bei der Schaltung gemäß Fig. 1) wahlweise auch die Signalgeneratoren 38 b oder 38 c 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 dem Meßwiderstand 30 zu führenden Ströme als im wesentlichen äquivalent angesehen werden. Demzufolge können die Amplituden des Erregerstroms und des Bezugsspannungssignals mit hoher Genauigkeit einander angeglichen bzw. gleich groß gemacht werden, indem der über die Transistoren 18 und 20 fließende Strom so gesteuert bzw. eingestellt wird, daß der Unterschied zwischen dem am Meßwiderstand 30 auftretenden Spannungsabfall und der Amplitude des Bezugsspannungssignals, 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 Schaltungsanordnung, bei welcher weniger Transistoren gleichzeitig in Betrieb sind, führen außerdem zu einer beträchtlichen Senkung des Stromverbrauchs. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 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. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung arbeiten dagegen die Transistoren 18 und 20 abwechselnd und niemals gleichzeitig.

Fig. 6 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, 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, Gleichrichterelemente 70 a und 70 b, Glättungswiderstände 72 a und 72 b sowie Glättungskondensatoren 74 a und 74 b. Ein die Elemente 70 a, 72 a und 74 a enthaltender, mit einer gestrichelten Linie umrahmter Schaltkreis wird als erster Gleichrichter- Glättungskreis 76 a bezeichnet. Ebenso wird ein anderer, die Elemente 70 b, 72 b und 74 b enthaltender, ebenfalls von einer gestrichelten Linie umrahmter Schaltkreis als zweiter Gleichrichter-Glättungskreis 76 b 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 Klemme der Wechselspannungsversorgung 68, den Gleichrichter- Glättungskreis 76 a, den Transistor 18 und den Meßwiderstand 30 in einem ersten Erregerkreis 80 a geflossen ist. Der über die Erregerspule 28 fließende Strom fließt daher nicht über einen zweiten Erregerkreis 80 b. Im zweiten Erregerkreis 80 b wird der Kondensator 74 auf die Spitzenspannung Vp der Wechselstromversorgung 68, d. h. auf das ∡-fache der Effektivspannung, aufgrund der Wirkung des zweiten Gleichrichter-Glättungskreises 76 b aufgeladen. In diesem Fall liegt die obere Seite des Kondensators 74 b an einem hohen, seine untere Seite an einem niedrigen Potential. Aufgrund eines Spannungsabfalls am Widerstand 72 a verringert sich die an den Kondensator 74 a des ersten Gleichrichter-Glättungskreises 76 a angelegte Spannung. Wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 36 nach Ablauf einer gegebenen Zeit in eine negative Spannung umgesetzt wird, werden die Transistoren 18 und 20 zum Sperren bzw. Durchschalten gebracht. Daraufhin wird die Lieferung des Erregerstroms durch den ersten Erregerkreis 80 a beendet, wobei ein großer Übergangsstrom von links nach rechts über die Erregerspule 28 durch den Kondensator 74 b des zweiten Erregerkreises 80 geführt wird, welcher vorher auf die Spitzenspannung Vp der Wechselspannungsversorgung 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 76 b. Zwischenzeitlich beginnt sich der Kondensator 74 a auf die Spitzenspannung Vp aufzuladen, während die Spannung des Kondensators 76 b abfällt. Diese Inversion oder Umkehrung des Erregerstroms wird unmittelbar nach der Polaritätsänderung des vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferten Bezugsspannungssignals erreicht. Obgleich sich die Polarität des durch die Erregerspule 28 erzeugten Magnetfelds mit einer gegebenen Periode umkehrt, bleibt die Amplitude des Magnetfeldes 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 80 a beendet, während der vom zweiten Erregerkreis 80 b gelieferte Erregerstrom in der entgegengesetzten Richtung zu fließen beginnt. Gleichzeitig wird die elektrische Ladung des Kondensators 74 b, der vorher auf die Spitzenspannung aufgeladen worden ist, als großer Strom in derselben Richtung wie der vom zweiten Erregerkreis 80 b gelieferte Strom entladen. Die Periode der Polaritätsumwandlung 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 16mal so lang wie die Stromversorgungsperiode im Fall eines elektromagnetischen Strömungsmessers. Der Kondensator 74 b 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 des Transformators unmittelbar anstelle der Widerstände 72 a und 72 b in den Gleichrichter- Glättungskreisen 76 a bzw. 76 b verwendet werden. Wahlweise können für diesen Zweck die Arbeitswiderstände der Gleichrichterelemente 70 a und 70 b benutzt werden. Dies bedeutet, daß die Widerstände 72 a und 72 b nicht wesentlich sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist eine automatische Kompensierschaltung 100 zwischen den Operationsverstärker 36 und den Bezugssignalgenerator 38 der Ausführungsform nach Fig. 1 geschaltet. Diese Kompensierschaltung 100 kann Ungleichmäßigkeiten der positiven und negativen Amplituden des vom Bezugssignalgenerator 38 gelieferten Bezugsspannungsignal und Änderungen oder Abweichungen in der Größe des Erregerstroms bei Änderung der Fließrichtung aufgrund von Abweichung 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 38 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 Operationsverstärkers 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 Gegenrichtung fließende Erregerstrom abfällt, wird die an der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 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 Umsetzer- bzw. 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 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-, Parallel- oder Reihen-Parallel-Schaltung vorliegenden Transistoren ersetzt werden.

Beispielsweise zum Prüfen eines elektromagnetischen Strömungsmessers 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 Strömungsmessers ein Abfallen des Erregerstroms praktisch verhindert werden kann.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung mit

• - einer Erregerspule (28), die mit einem seine Fließrichtung periodisch umkehrenden Erregerstrom gespeist ist,
• - einem zur Lieferung des Erregerstroms dienenden Stromversorgungsteil (10),
• - einem in Reihe mit der Erregerspule (28) geschalteten Strom-Meßelement (30) zur Lieferung einer Spannung entsprechend dem Erregerstrom,
• - in Reihe über den Stromversorgungsteil (10) geschalteten Steuerelementen (18, 20) mit einer ersten Mittelklemme (22) in der Mitte der Reihenschaltung, und
• - einem mit dem Ausgangssignal des Strom-Meßelements (30) und einem Eingangssignal gespeisten Verstärkerteil (36),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Schaltungsanordnung zur Verwendung in einem elektromagnetischen Strömungsmesser vorgesehen ist,
• - das Stromversorgungsteil (10) eine zweite Mittelklemme (16) aufweist,
• - die erste Mittelklemme (22) geerdet ist,
• - die Erregerspule (28) und das Strom-Meßelement (30) in Reihe zwischen erster und zweiter Mittelklemme (22, 16) liegen,
• - das Verstärkerteil (36) abwechselnd Durchschalt- und Sperrsignale zu den Steuerelementen (18, 20) auf beiden Seiten der ersten Mittelklemme (22) liefert, um dabei einen bezüglich Periode, Amplitude und Polarität dem Eingangssignal entsprechenden Erregerstrom über die Erregerspule (28) fließen zu lassen, und
• - zur Erzeugung eines Rechteckwellenstroms ein Bezugssignalgenerator (38) als Eingangssignal abwechselnd positive und negative Rechteckwellen- spannungssignale gleicher Amplitude mit einer gegebenen Periode liefert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil (10) zwei in Reihe geschaltete Gleichstromquellen (12, 14) umfaßt (Fig. 1, 2).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator (38 a) zwei in Reihe geschaltete Bezugsspannungsquellen (42 a, 42 b) und einem Umschalter (40) zum abwechselnden Umschalten zwischen positiven und negativen Klemmen der beiden in Reihe geschalteten Bezugsspannungsquellen (42 a, 42 b) umfaßt (Fig. 3).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgenerator (38 b) eine einzige Bezugsspannungsquelle (42), einen an die eine Elektrode der Bezugsspannungsquelle (42) angeschlossenen Inverterkreis (50) und einen zwischen dieser einen Elektrode und der Ausgangsklemme des Inverterkreises (50) umschaltenden Umschalter (40) umfaßt (Fig. 4).

5. Schaltungsanordnung 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 (Fig. 5).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil eine mit einer Wechselstromquelle (68) verbundene Spannungsverdoppler- Gleichrichterschaltung (66) ist (Fig. 6).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 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 Ausgangssignal des Integrationskreises (113) gleich Null ist (Fig. 7).