DE2625714A1

DE2625714A1 - Verfahren zur messung physikalischer groessen und der elektrischen fernuebertragung des messwertes

Info

Publication number: DE2625714A1
Application number: DE19762625714
Authority: DE
Inventors: Peter G Dipl Ing Dr Duell
Original assignee: SETRON ERZEUGUNG ELEKTRONISCHE
Current assignee: SETRON ERZEUGUNG ELEKTRONISCHE
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-06-09
Publication date: 1977-01-20
Also published as: SE405764B; FR2316581A1; ATA469775A; AT346962B; CH608608A5; SE7606294L

Description

8. Juni 1976

Anmelder: SETRON Erzeugung elektronischer Bauelemente Gesellschaft m.b.H. Marxergasse 10
A-1030 Wien
Österreich

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Verfahren zur Messung physikalischer Größen und der elektrischen Fernübertragung des Meßwertes.

Es ist bekannt, zu messende ,nichtelektrische ,physikalische Größen am Meßort in proportionale elektrische Größen umzuwandeln, da elektrische Signale besser fernübertragen und am Empfangsort meist besser weiter verarbeitet werden können. Alle bekannten Verfahren wandeln die physikalische Größe in eine analoge elektrische Größe, wie Strom, Spannung, Widerstandsänderung, etc. oder in eine digitale Form, wie Frequenz, Pulszahl, Tastverhältnis, Phasenlage oder Impulsreihen, die die Meßinformation in codierter Form enthalten, um.

Den Verfahren,die analoge elektrische Größen direkt über Leitungen übertragen, haften die wesentlichen Nachteile erhöhter Störempfindlichkeit und eines starken Einflusses des Widerstandes der Übertragungsleitung an. Diese Nachteile können nur durch erhöhten Leitungsaufwand kompensiert werden. Digitale Verfahren andererseits benötigen einen wesentlich höheren technischen Aufwand, wie Mehrfachleitungen, Modulations-, Codier- oder Multiplexechaltungen und sind daher mit höheren Kosten verbunden.

Meßaufgaben, die ein Minimum an Lei tungs aufwand und Energieverbrauch, z.B. für batteriebetriebene Anlagen, bei mäßiger Genauigkeit (um 1$), aber hohe Störsicherheit und geringe Kosten erfordern, können mit den bisher bekannten Verfahren nicht optimal durchgeführt werden.

Die hier beschriebene Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten Verfahren und bietet einen optimalen Kompromiß für das vorhin erwähnte Anwendungsgebiet.

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ORIQiNAL INSPECTED

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Das Verfahren benützt einen Geber, der die physikalische Größe in ein proportionales elektrisches Signal umwandelt, eine zweipolige Übertragungsleitung, wobei ein Pol auch ein gut leitendes System,wie z.B. metallene Rohrleitungen oder die Erde sein kann, und eine Empfangsschaltung.

Das wesBntliche Merkmal der Erfindung ist, daß durch einen von der Empfangsschaltung über die Übertragungsleitung zum Geber gesendeten Spannungs— oder Stromimpuls die Messung der physikalischen Größe im Geber ausgelöst wird und der Geber nach Ablauf einer bestimmten Zeit die übertragungsleitung kurzschließt, wobei die Zeitdauer des Spannungs- oder Stromimpulses durch die Meßinformation über die physikalische Größe bsbimmt wird. Die Empfangsschaltung ist so eingerichtet, daß sie ihrerseits den Strom oder die Spannung auf der Übertragungsleitung überwacht und bei Auftreten des Kurzschlusses die Energiezufuhr abschaltet, wodurch auch der Geber wieder die Fähigkeit erlangt, eine neue Messung" auf Abruf ausführen zu können.

Durch dieses Prinzip ist der Energieverbrauch auf die Dauer des Meßimpulses beschränkt, die Leitung geht in erster Linie nur durch die Laufzeit der Signalflanken in das Meßergebnis ein. Einrichtungen,denen das beschriebene Verfahren zugrundeliegt, können wohl elektromechanisch ausgeführt sein, doch sind bei der Forderung nach geringstem Stromverbrauch rein elektronische Schaltungen vorzuziehen.

Da die Meßinformation in einer, proportionalen Impulsdauer enthalten ist, sind am Empfangsort mit den erfindungsgemäßen Verfahren sehr einfach digital anzeigende und rechnende Geräte aufzubauen. Es genügt dazu während des Meßimpulses eine konstante Frequenz in einen Zähler einzuzählen, das Zählresultat gibt dann direkt einen Zahlenwert für die Meßgröße. Messen die Geber z.B. Temperaturen, so sind solcherart sehr einfache Fernthermometer und elektronische Wärmezähler aufzubauen.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in einigen Ausführungsformen beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der Schaltung mit der das er findungs gemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Fig. 2 bis 6 veranschaulichen schaltungsmäßige Einzelheiten.

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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorerst anhand des Blockschaltbildes Fig.1 beschrieben. Die Empfangsschaltung 1 besteht vorzugsweise aus einer bistabilen Schaltstufe U, die direkt (strichlierte Verbindung) oder unter Zwischenschaltung einer Stromquelle 5» die Übertragungsleitung 2 mit Spannung oder Strom versorgt. Im gewünschten Meßzeitpunkt wird die Energiezufuhr zur Leitung durch ein Signal am Setzeingang 6 der Schaltstufe k eingeschaltet und durch ein Signal am Rückstelleingang 7 der Schaltstufe k wieder ausgeschaltet. Dieses Signal kann, wie gezeichnet, direkt aue dem SpannungsZusammenbruch an der Leitung beim Kurzschluß, als auch durch ein zusätzliches Elemente, das den Stromanstieg feststellt, abgeleitet werden. In beiden Fällen wird nach dem Einschalten der Energie diese erst bei Auftreten eines Kurzschlusses auf der Leitung abgeschaltet.

Der Geber 3 besteht vorzugsweise aus einer Schaltungsgruppe 9» dessen elektrische Eigenschaften durch die zu messende physikalische Größe derart gesteuert wird, daß in Zusammenwirkung mit der über die Leitung 2 eingespeisten Spannung oder Strom eine monotone Spannungs- oder Stromänderung erreicht wird, deren zeitlicher Verlauf der physikalischen Größe proportional ist und einem vorzugsweise elektronischen Schalter 8, der über die Verbindung 10 von der Spannungs- oder Stromänderung bei Erreichen eines bestimmten Wertes ausgelöst wird und die Leitung kurzschließt.

Im Nachstehenden wird eine Ausführungform beispielsweise, wie folgt, "beschrieben: Es soll als physikalische Größe eine Temperatur etwa im Bereich von -50 bis +150 , also im vorliegenden Fall vorzugsweise im Bereich von Warmwasserheizanlagen etwa zwischen 25 und 125 » gemessen werden. Zur Messung befindet sich die gesamte Geberschaltung 3 gemäß Fig.2 im Bereich der zu messenden Temperatur. Das Schaltelement, das direkt temperaturabhängig ist, ist durch einen elektrischen Widerstand 11 gegeben. Wie Fig.2 erkennen läßt, ist der Widerstand 11 mit einem Kondenstor 12 zu einem RC-Glied zusammengeschaltet. Der Geber 3 liegt über die Klemmen 13, 1U an der (über die Übertragungsleitung 2, Fig.1) gesendeten Spannung. Diese Spannung wird durch die im Geber befindliche Zenerdiode 15 auf einen konstanten Wert gehalten. Durch die konstante Spannung wird über den Widerstand 11 die Aufladung des Kondensators 12 bewirkt. In der Schaltung ist, wie man sieht, ein programmierbarer Unijunction-Transistor (PUT) 16 vorgesehen, dessen Steueranschluß (Gate) 17 über eine Diode 18 an die Klemme bzw. Leitung 13 geführt ist. Die Anorde von PUT ist mit dem Verbindungspunkt 19 zwischen den Elementen

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11 und 12 verbunden. Parallel zu den Klemmen 13, lh ist fernerhin ein Thyristor 20 angeordnet, dessen Steueranschluß 21 mit der Kathode des PUT 16 verbunden ist. Es versteht sich von selbst, daß die Polaritäten der Halbleiterbauelemente in sinngemäßer Weise geschaltet sein müssen; ist Punkt postitiv, dann müssen die Kathode der Zenerdiode 15» die Anorde des Thyristors 20 und die Anode der Diode 18 an diesem Punkt 13 liegen.

Wie schon gesagt, erfolgt die Aufladung des Kondensators 12 über den Widerstand 11. Dieser Widerstand, der temperaturabhängig ist, bestimmt nun die Aufladezeit des Kondensators 12 zufolge der zu messenden Temperatur. Wird die Ladung bzw. die Spannung an den beiden Kondensatorplatten so hoch, daß dadurch die Schaltspannung des PUT erreicht wird, so wird dieser leitend, wodurch sich der Kondensator 12 über PUT 16 auf den Steueranschluß 21 des Thyristors 20 aufladet und diesen zündet. Der gezündete Thyristor bewirkt den Kurzschluß zwischen den Leitungen 13 und Ik. Dies die Grundfunktion des Gebers.

Die gesamte Schaltung Fig. 2 befindet sich im zu messenden Temperaturbereich. Es wäre ideal, wenn von dieser Schaltung tatsächlich nur der Widerstand temperaturabhängig wäre. Dies ist in der Praxis kaum durchführbar. Eine unter Umständen störende Temperaturabhängigkeit kann in den Schaltelementen 16 und 15 gelegen sein. In an sich bekannter Weise kann hier die Temperaturabhängigkeit des Elementes 16 durch die Einschaltung der Diode 18 kompensiert werden..

Durch das leitendwerden des Thyristors 20 und des PUT 16 werden nicht nur die Leitungen 13, 1U kurzgeschlossen,sondern auch der Kondensator 12 entladen. Der Kurzschluß bleibt so lange aufrecht, als die Leitfähigkeit im Thyristor durch einen Stromfluß durch ihn aufrechterhalten wird. Unterbricht die Empfangsschaltung 1 diesen Stromfluß, so erlangt der Thyristor 20 wieder seine Sperrfähigkeit und, da auch der Kondensator 12 entladen ist, gelangt die gesamte Geberschaltung 3 wieder in den Ausgangszustand. Gemäß der beschriebenen Funktion des Gebers 3 ist somit die Dauer der zwischen den Anschlüssen 13, lh anliegenden Spannung direkt proportional der Temperatur des Gebers. Diese Zeitdauer stellt das Meßergebnis (Temperatur) dar.

Wie oben ausgeführt, wird zur Einleitung der Messung von der Empfangsschaltung Spannung über die Leitung 2 auf den Geber 3 geschaltet. Dies wird in Ansehung der Fig.3, wie folgt, durchgeführt: die in Fig.1 angedeutete bistabile Schaltstufs k ist gemäß Fig. 3 gebildet aus einem logischen NOR-Gatter

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22 und einem Inverter 23, deren Ein- und Ausgänge, wie aus Fig.3 ersichtlich, kreuzweise gekoppelt sind. Der Anschluß 13 der Leitung ist über einen Widerstand 2^ mit dem Ausgang des Inverters 23 verbunden. Der Anschluß 1H liegt am Minuspol 25 (z.B. Erde oder Masse) der Gesamt anordnung. Der Eingang 26 ist mit dem Anschluß 13 in Verbindung, der Eingang 27 liegt an dem Widerstand 28 eines Differenziergliedes mit dem Kondensator 29. Der Ruhezustand der Empfangsschaltung 1 ist dadurch gegeben, daß die Leitung 2 stromlos ist,d.h., daß beide Eingänge 26, 27 auf logisch Null liegen. Bekanntlich ist dann der Ausgang des NOR-Gatters 22 eins und der Ausgang des Inverters 23 Null (wodurch die Leitung tatsächlich stromlos ist). Zum Beginn der Messung wird der Setzeingang 6 (siehe auch Fig.1) mit einem positiven Spannungaanstieg beaufschlagt, der durch das Differenzierglied zu einem kurzen Spannungsimpuls am Eingang 27 umgeformt wird. Der positive Impuls am Eingang 27 des NOR-Gatters 22 bewirkt ein Umschalten des Ausganges dieses Gatters auf Spannung Null, wodurch andererseits der Ausgang des Inverters 23 auf positive Spannung gebracht wird. Dies gilt auch für die Leitung 13. Dieser Zustand bleibt stabil erhalten, weil die Spannung am Eingang 13 dem Eingang 26 zugeführt ist (und dadurch der Ausgang des NOR-Gatters 22 auf Null gehalten wird, auch wenn der positive Impuls an 27 abgeklungen ist). Der Widerstand 2k begrenzt den Strom, der über die Leitung 2 in den Geber 3 fließt, auf einen zweckentsprechenden Wert.

Durch den, durch die oben beschriebene Funktion des Gebers bewirkten Kurzschluß der Leitungen 13, lh sinkt auch'die Spannung am Eingang 26 auf Null. Dadurch daß jetzt beide Eingänge 26, 27 Null sind, springt der Ausgang des NOR-Gatters 22 wiederum auf eins und somit'der Ausgang des Inverters 23 auf Null, wodurch die Leitung 13 stromlos wird und der Ausgangszustand wieder erreicht ist. Der durch das Differenzierglied 28, 29 gebildete positive Impuls am Eingang 27 muß stets kürzer sein als der durch die Temperatur bewirkte Meßimpuls T · Am Empfangsort kann dieser Meßimpuls T entweder am Leitungspunkt 13 direkt oder am Ausgang des Gatters 22 als elektrischer Spannungsimpuls abgegriffen und durch eine übliche nachfolgende Schaltung in. eine Temperaturanzeige umgesetzt werden. Endlich sei noch gesagt, daß die in Fig. 1 angedeutete Rückführung von der Leitung zwischen Rückstelleingang 7 gemäß Fig.3 in der Konfiguration der bistabi-. len Schaltung implizit enthalten ist. Dem obengenannten Rückstelleingang 7 entspricht in Fig. 3 der Eingang 26.

Fig.k veranschaulicht beispielsweise eine etwas einfachere Schaltung als Fig.2, die für die Messung anderer physikalischer Größen, die in eine Wideisbandsänderung oder Kapazitätsänderung umgesetzt werden können, Verwendung finden können.

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Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung des Gebers 3₅ wenn der Geber über die Leitung 2 mit eingeprägtem Strom über die Quelle 5 gespeist wird. Als kurzschlußschaltendes Element ist hier ein Zwei-Pol 30 mit spannungsabhängigem Kippverhalten verwendet, wie z.B. eine Vierschicht-Diode. Selbstverständlich können die in den Fig. k und 5 dargestellten Sehaltungsgruppen, die von der zu messenden physikalischen Größe gesteuert werden, auch durch duale Schaltungsgruppen bzw. Elemente ersetzt werden, z.B. Kapazitäten durch Induktivitäten.

Eine besonders einfache Lösung ist in Fig.6 dargestellt. Diese Schaltung kann bei Spannungseinspeisung verwendet werden. Die Schaltung besteht hier aus einer Schaltdrossel, (induktivität mit ferromagnetischem Kern mit rechteckiger Hysteresekurve) deren Induktivität durch die zu messende physikalische Größe gesteuert wird. Die Kurzschlußschaltfunktion tritt hiebei auf, wenn die Schaltdrossel in den Sättigungszustand gelangt. Die Zeitdauer bis zur Erlangung des Sättigungszustandes ist bei Voraussetzung konstanter Spannung an 13» 1U von der Induktivität und der zu messenden physikalischen Größe abhängig.

Als zu messende physilsLische Größen kommen neben Temperatur z.B. geometrische Größen,wie Längen, Winkel, optische Größen, wie ffi.euchtungsstärke, Einwirkung radioaktiver Strahlungen usw. in Frage.

Claims

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Patentansprüche :

erfahren zur Messung physikalischer Größen und der elektrischen Fernübertragung des Meßwertes unter Verwendung einer Empfangsschaltung, einer Übertragungsleitung und einem Geher, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen von der Empfangsschaltung über die' Übertragungsleitung zum Geber gesendeten Spannungs- oder Stromimpuls die Messung der physikalischen Größe im Geber ausgelöst wird, und der Geber nach Ablauf einer bestimmten Zeit die Übertragungsleitung kurzschließt, wobei die Zeitdauer des Spannungs- oder Stromimpulses durch die Meßinformation über die physikalische Größe bestimmt wird und die Empfangsschaltung andererseits so eingerichtet ist, daß sie ihrerseits den Strom oder die Spannung auf der Übertragungsleitung überwacht und bei Auftreten des Kurzschlusses die Energiezufuhr zur Leitung abschaltet, wodurch auch der Geber wieder die Fähigkeit erlangt eine neue Messung auf Abruf ausführen zu können.
2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung

(1) vorzugsweise aus einer bistabilen Schaltstufe (k) besteht, die die Leitung mit Spannung versorgt.
3. Verfahren nach Anspruch Ί und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein zwischen Schaltstufe (U) und Leitung (2) geschaltetes Element (5) der Leitung Strom eingeprägt wird.
h. Verfahren nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Geber (3) die zu messende physikalische Größe die elektrischen Eigenschaften eines Elementes (9) derart steuert, daß eine proportionale, zeitlich monotone Spannungs- oder Stromänderung gebildet wird.
5- Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und k₃ dadurch gekennzeichnet, daß die proportionale Spannungs- oder Stromändcrung bei Erreichen eines bestimmten Wertes einen vorzugsweise elektronischen Schalter (8) auslöst, der die Leitung

(2) kurzschließt.
6. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Empfangsschaltung (1) eine Übertragungsleitung (2) und ein Geber (3) vorgesehen sind, wobei die Empfangsschaltung eine bi-

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stabile Schaltstufe umfaßt, an deren einem Ausgang gegebenenfalls eine Stromquelle (5) angeschlossen ist und der Geber einen elektrischen Schalter (8) und eine durch die zu messende physikalische Größe in ihren elektrischen Eigenschaften beeinflußbare Schaltgruppe (9) aufweist, die über eine Verbindung (10) auf den Schalter (8) einwirkt.

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