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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Darstellung einer von einem resistiven Sensor erfassten Temperatur mit einem Schaltkreis zur Quotientenbildung, an dessen Messeingang eine vom Widerstand des Sensors oder von der Widerstandsdifferenz zwischen dem Sensor und dem den Skalennullpunkt bestimmenden Widerstand abgeleitete Messspannung anliegt und dessen Referenzeingang zwecks Linearisierung der Sensorkennlinie eine Spannung, welche aus einem von einem Referenzwiderstand abgeleiteten Anteil sowie einem vom Vorzeichen und Betrag der Nichtlinearität bestimmten Anteil der Messspannung besteht, zugeführt ist, wobei eine Reihenschaltung aus dem resistiven Sensor und dem gegebenenfalls als ein erster Spannungsteiler ausgebildeten Referenzwiderstand den variablen Zweig einer Brückenschaltung bildet,
in deren anderem Zweig ein zweiter Spannungsteiler zur Bildung des Anteiles der Messspannung liegt.
Widerstandsthermometer zeigen einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur, der durch ein Polynom zweiter Ordnung ausreichend genau wiedergegeben werden kann. Sind e die Temperatur in Celsiusgraden, R der Widerstand des Thermometers bei der Messtemperatur und Ra jener bei 0 C, a und ss Koeffizienten, die für das betreffende Material cha-
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so lässt sich die Sensorfunktion des Thermometers wie folgt angeben :
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Das Verhältnis ss ja. ist ein Mass für die Abweichung von der Linearität und ist dafür entscheidend, ob bei der Darstellung der Temperatur die quadratische Gleichung gelöst werden muss oder ob sie durch eine Gerade angenähert werden darf.
Bei Platin beträgt a = 0, 390784. 10-' K' und ss ja. = - 1, 48013. 10-' K-1, was besagt, dass ab einer Messspanne von 100 K und einer Auflösung besser 0, 3. K linearisiert werden muss.
Da für die numerische Darstellung der Temperatur nur ihr Zahlenwert von Bedeutung ist, werden im folgenden alle auftretenden physikalischen Grössen als dimensionslos angesehen.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit deren Hilfe die Gleichung (1) ausreichend genau näherungsweise gelöst und die Temperatur über einen
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:ist.
Lässt man nun ein und denselben Strom I durch das Widerstandsthermometer R einen Widerstand R. und einen Widerstand Rref piessen, so kann aus der Differenz der Spannungsabfälle an
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Der Wandler wird also die Temperatur unabhängig vom Strom I anzeigen und dabei einen relativen Fehler aufweisen, der durch den Ausdruck (ss/a) e gegeben ist.
Zur Reduktion dieses Fehlers ist erfindungsgemäss bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art der Schaltkreis zur Quotientenbildung ein ratiometrischer Analog-Digital-Wandler, dessen Anschlüsse des Messeinganges in der Diagonalen der Brückenschaltung liegen, wobei der eine Anschluss des Referenzeinganges am Abgriff des zweiten Spannungsteilers und der andere Anschluss des Referenzeinganges entweder am Verbindungspunkt des Referenzwiderstandes mit dem resistiven Sensor oder am Abgriff des ersten Spannungsteilers liegt.
Damit wird dem Referenzeingang des ratiometrischen Analog-Digital-Wandlers als Referenzspannung zusätzlich zu der vom Referenzwiderstand abgeleiteten Spannung ein vom Vorzeichen und vom Betrag der Nichtlinearität der Sensorkennlinie bestimmter Anteil der Messspannung zugeführt.
Beträgt der zur Referenzspannung bref addierte Teil der Eingangsspannung M (ss/a) V., ist also
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weil in den praktischen Fällen (ss/a) e < K l ist.
Für einen beschränkten Temperaturbereich kann die durch den Zähler der Gleichung (6) bestimmte Gerade und die durch den Nenner der Gleichung (6) bestimmte Parabel noch besser zur Deckung gebracht werden, wenn die Parabel geringfügig gedreht und/oder verschoben wird, so dass sich zwei Schnittpunkte mit der Geraden ergeben. Dies wird durch Variation von Vref bzw. des Faktors von Vi im Nenner des Bruches der Gleichung (5) vorgenommen.
Gleichung (7) zeigt eine Drehung der Parabel
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In der folgenden Tabelle werden die Anzeigen der Anordnungen nach den Gleichungen (4), (5) und (7) verglichen. R ist dabei ein Platinwiderstandsthermometer mit ss < 0.
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<tb>
<tb> e <SEP> (C") <SEP> I <SEP> Z <SEP> (4) <SEP> Z <SEP> (5) <SEP> Z <SEP> (7)
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 100 <SEP> 98, <SEP> 6 <SEP> 99, <SEP> 98 <SEP> 100, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 200 <SEP> 194, <SEP> 2 <SEP> 199, <SEP> 83 <SEP> 200, <SEP> 11 <SEP>
<tb> 300 <SEP> 287 <SEP> 299, <SEP> 4 <SEP> 300, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 400 <SEP> 377 <SEP> 398, <SEP> 6 <SEP> 399, <SEP> 69 <SEP>
<tb> 500 <SEP> 464 <SEP> 497, <SEP> 3 <SEP> 498, <SEP> 89 <SEP>
<tb> 600 <SEP> 548 <SEP> 595, <SEP> 1 <SEP> 597, <SEP> 41 <SEP>
<tb> 700 <SEP> 627 <SEP> 692, <SEP> 2 <SEP> 695, <SEP> 27 <SEP>
<tb>
Es ist ersichtlich,
dass Z (5) und Z (7) für die meisten praktischen Temperaturmessungen
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gegebenen Toleranz für Platinmesswiderstände.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung besteht aus einer Spannungsquelle, an die eine Brückenschaltung angeschlossen ist, deren variabler Zweig die Reihenschaltung des Referenzwiderstandes und des resistiven Sensors enthält und deren anderer Zweig die Reihenschaltung eines Spannungsteilers und des den Skalennullpunkt bestimmenden Widerstandes enthält.
Der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers verhält sich zum Widerstandswert des den Skalennullpunkt bestimmenden Widerstandes so wie der Wert des Referenzwiderstandes zum Widerstandswert des Sensors bei der Temperatur des freiwählbaren Skalennullpunktes. Der Messeingang des Analog- - Digital-Wandlers ist in der Brückendiagonale angeschlossen, der Referenzeingang zwischen dem Verbindungspunkt des Referenzwiderstandes mit dem Sensor und dem Abgriff am Spannungsteiler.
Steigt in dieser Anordnung die Spannung am Sensor, so nimmt die Referenzspannung in einem Mass ab, das durch das Teilerverhältnis des Spannungsteilers bestimmt wird.
Die kleinste Messspanne, die mit einer solchen Anordnung erreicht werden kann, ist der weiter unten angeführten Gleichung (14) zu entnehmen. Soll diese Messspanne unterschritten werden, so muss auch der Referenzwiderstand als Spannungsteiler ausgeführt sein und die Referenzspannung zwischen den Abgriffen der beiden Spannungsteiler abgenommen werden.
Für die erste Anordnung kann ein ratiometrischer Analog-Digital-Wandler mit gemeinsamen Nullpunkt für Mess- und Referenzspannung verwendet werden, wenn der Wandler ungleiche Vorzeichen beider Spannungen zulässt. Ist dies nicht der Fall, muss ein Wandler mit voneinander potentialunabhängigem Mess- und Referenzeingang verwendet werden. Das ist auf alle Fälle für die zweite Anordnung notwendig.
In der US-PS Nr. 3, 818, 207 wird eine Schaltungsanordnung beschrieben, die mit Hilfe eines Widerstandsnetzwerkes und einem Schaltkreis zur Quotientenbildung eine nichtlineare Funktion einer an einem resistiven Sensor abfallenden Messspannung erzeugen kann. Dieser Schaltkreis weist einen gemeinsamen Bezugspunkt für Mess- und Referenzspannung auf. Das Widerstandsnetzwerk besteht aus einer aus zwei Spannungsteilern aufgebauten Brücke, die über einen zusätzlichen Vorwiderstand gespeist wird. Die Messspannung wird der Brückendiagonale entnommen und damit das Potential des gemeinsamen Bezugspunktes festgelegt. Der Referenzeingang liegt am Abgriff eines weiteren Spannungsteilers, der von der Speisespannung der Brücke, vergrössert um den Spannungsabfall am Vorwiderstand, gespeist wird.
Der wesentliche Unterschied zur Erfindung besteht darin, dass wegen des gemeinsamen Bezugspunktes Mess- und Referenzspannung nicht ein und derselben Brückenschaltung entnommen werden, was den eigentlichen Vorteil der ratiometrischen Methode zunichte macht. Überdies ist in der bekannten Anordnung eine Variation der Spannung am Referenzeingang bei gleichem relativen Anteil der Messspannung zum Zweck der Skalierung nicht möglich. Dies ist aber Voraussetzung für eine direkte Digitalanzeige der Messgrösse in gegebenen Einheiten.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur
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Implementierung der Gleichungen (5) oder (7), Fig. 2 eine weitere Schaltung für denselben Zweck, jedoch mit verringerter Messspanne und entsprechend höherer Auflösung, wenn in beiden Fällen derselbe Analog-Digital-Wandler verwendet wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt an einer Stromquelle --E-- eine Brückenschaltung, deren variabler Zweig aus der Reihenschaltung eines Referenzwiderstandes --Rref--und eines resistiven Sensors --R-- und deren anderer Zweig aus einem aus Wider-
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Schaltkreis zur Quotientenbildung ist ein ratiometrischer Analog-Digital-Wandler --A/D-- vorgesehen, dessen Anschlüsse-ME., ME.-des Messeinganges in der Diagonale der Brückenschaltung liegen.
Der eine Anschluss --RE 1 -- des Referenzeinganges des Analog-Digital-Wandlers --A/D-- liegt am Abgriff des Spannungsteilers -R1a , R1b -, der andere Anschluss--RE 2--des Referenzeinganges des Analog-Digital-Wandlers --A/D-- liegt am Verbindungspunkt des Referenzwiderstandes --Rref-mit dem resistiven Sensor
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von
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gilt :
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und
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oder mit der Gleichung (1)
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oder
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Zur Skalierung muss
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und zur Linearisierung
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für eine Anzeige nach Gleichung (5) bzw.
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für eine Anzeige nach Gleichung (7) sein.
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ihr Verhältnis zueinander ankommt.
Kleine Messspannen (z. B. M = 100) würden nach Gleichung (14) Rref = R1 < 0 erfordern. Sie
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tung bleibt, muss das Teilerverhältnis t (Gleichung 8) zusätzlich mit dem Teilerverhältnis tl des durch die Widerstände-R refl und R re,,-gebildeten Spannungsteilers multipliziert werden.
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The invention relates to a circuit arrangement for the digital representation of a temperature detected by a resistive sensor with a circuit for forming the quotient, at whose measuring input a measuring voltage derived from the resistance of the sensor or from the resistance difference between the sensor and the resistance determining the zero point of the scale is present and its reference input for the purpose of linearization The sensor characteristic curve is supplied with a voltage which consists of a portion derived from a reference resistor and a portion of the measurement voltage determined by the sign and amount of the non-linearity, a series circuit comprising the resistive sensor and the reference resistor, which may be in the form of a first voltage divider, providing the variable branch of a Forms a bridge circuit,
in the other branch there is a second voltage divider for forming the proportion of the measuring voltage.
Resistance thermometers show a non-linear relationship between resistance and temperature, which can be represented with sufficient accuracy by a second-order polynomial. If e is the temperature in degrees Celsius, R is the resistance of the thermometer at the measuring temperature and Ra is that at 0 C, a and ss coefficients that are appropriate for the material in question.
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the sensor function of the thermometer can be specified as follows:
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The ratio ss yes. is a measure of the deviation from linearity and is decisive for whether the quadratic equation has to be solved in the representation of the temperature or whether it can be approximated by a straight line.
For platinum, a = 0.390784. 10- 'K' and ss yes. = - 1, 48013. 10- 'K-1, which means that from a measuring span of 100 K and a resolution better than 0.3 K must be linearized.
Since only its numerical value is important for the numerical representation of the temperature, all the physical quantities that occur are considered to be dimensionless in the following.
The aim of the invention is to provide a circuit arrangement with the aid of which equation (1) is sufficiently sufficiently approximated and the temperature over one
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: is.
If you now let one and the same current I piss through the resistance thermometer R a resistance R. and a resistance Rref, then the difference in the voltage drops can
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The converter will therefore display the temperature independently of the current I and have a relative error which is given by the expression (ss / a) e.
To reduce this error, according to the invention, in a circuit arrangement of the type mentioned at the beginning, the circuit for forming the quotient is a ratiometric analog-digital converter, the connections of the measurement input of which lie in the diagonal of the bridge circuit, one connection of the reference input at the tap of the second voltage divider and the other Connection of the reference input is either at the connection point of the reference resistor with the resistive sensor or at the tap of the first voltage divider.
In addition to the voltage derived from the reference resistor, a portion of the measurement voltage determined by the sign and the amount of the nonlinearity of the sensor characteristic is thus fed as reference voltage to the reference input of the ratiometric analog-digital converter.
If the part of the input voltage added to the reference voltage bref is M (ss / a) V.
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because in practical cases (ss / a) e <K l.
For a limited temperature range, the straight line determined by the numerator of the equation (6) and the parabola determined by the denominator of the equation (6) can be made more congruent if the parabola is rotated and / or shifted slightly so that two Result in intersections with the straight line. This is done by varying Vref or the factor of Vi in the denominator of the fraction of equation (5).
Equation (7) shows a rotation of the parabola
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The following table compares the displays of the arrangements according to equations (4), (5) and (7). R is a platinum resistance thermometer with ss <0.
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<tb>
<tb> e <SEP> (C ") <SEP> I <SEP> Z <SEP> (4) <SEP> Z <SEP> (5) <SEP> Z <SEP> (7)
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 100 <SEP> 98, <SEP> 6 <SEP> 99, <SEP> 98 <SEP> 100, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 200 <SEP> 194, <SEP> 2 <SEP> 199, <SEP> 83 <SEP> 200, <SEP> 11 <SEP>
<tb> 300 <SEP> 287 <SEP> 299, <SEP> 4 <SEP> 300, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 400 <SEP> 377 <SEP> 398, <SEP> 6 <SEP> 399, <SEP> 69 <SEP>
<tb> 500 <SEP> 464 <SEP> 497, <SEP> 3 <SEP> 498, <SEP> 89 <SEP>
<tb> 600 <SEP> 548 <SEP> 595, <SEP> 1 <SEP> 597, <SEP> 41 <SEP>
<tb> 700 <SEP> 627 <SEP> 692, <SEP> 2 <SEP> 695, <SEP> 27 <SEP>
<tb>
It can be seen
that Z (5) and Z (7) for most practical temperature measurements
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given tolerance for platinum measuring resistors.
The circuit arrangement according to the invention consists of a voltage source to which a bridge circuit is connected, the variable branch of which contains the series connection of the reference resistor and the resistive sensor and the other branch of which contains the series connection of a voltage divider and the resistor which determines the zero point of the scale.
The total resistance of the voltage divider is related to the resistance value of the resistance determining the scale zero point, as is the value of the reference resistance to the resistance value of the sensor at the temperature of the freely selectable scale zero point. The measuring input of the analog to digital converter is connected in the bridge diagonal, the reference input between the connection point of the reference resistor with the sensor and the tap on the voltage divider.
If the voltage at the sensor rises in this arrangement, the reference voltage decreases to an extent which is determined by the divider ratio of the voltage divider.
The smallest measuring span that can be achieved with such an arrangement can be found in equation (14) below. If the measuring span is to be undercut, the reference resistor must also be designed as a voltage divider and the reference voltage between the taps of the two voltage dividers must be removed.
For the first arrangement, a ratiometric analog-digital converter with a common zero point for measurement and reference voltage can be used if the converter allows the two signs to have the same sign. If this is not the case, a converter with mutually independent measurement and reference input must be used. In any case, this is necessary for the second arrangement.
US Pat. No. 3, 818, 207 describes a circuit arrangement which, with the aid of a resistance network and a circuit for forming the quotient, can generate a nonlinear function of a measuring voltage dropping at a resistive sensor. This circuit has a common reference point for measurement and reference voltage. The resistor network consists of a bridge made up of two voltage dividers, which is fed via an additional series resistor. The measuring voltage is taken from the diagonal of the bridge and thus the potential of the common reference point is determined. The reference input is at the tap of another voltage divider, which is fed by the supply voltage of the bridge, increased by the voltage drop at the series resistor.
The main difference to the invention is that, because of the common reference point, the measurement and reference voltage are not taken from the same bridge circuit, which nullifies the actual advantage of the ratiometric method. Furthermore, in the known arrangement, it is not possible to vary the voltage at the reference input with the same relative proportion of the measurement voltage for the purpose of scaling. However, this is a prerequisite for a direct digital display of the measured variable in given units.
The invention is explained in more detail with reference to the drawings. Fig. 1 shows a circuit for
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Implementation of equations (5) or (7), FIG. 2 shows a further circuit for the same purpose, but with a reduced measuring span and correspondingly higher resolution, if the same analog-digital converter is used in both cases.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, a bridge circuit is located at a current source --E--, the variable branch of which consists of the series connection of a reference resistor --Rref - and a resistive sensor --R-- and the other branch of which consists of a counter -
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A ratiometric analog-to-digital converter --A / D-- is provided in the circuit for forming the quotient, the connections-ME., ME.-of the measuring input being in the diagonal of the bridge circuit.
One connection --RE 1 - of the reference input of the analog-digital converter --A / D-- is at the tap of the voltage divider -R1a, R1b -, the other connection - RE 2 - of the reference input of the analog-digital Converter --A / D-- lies at the connection point of the reference resistor --Rref- with the resistive sensor
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from
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applies:
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and
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or with equation (1)
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or
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For scaling
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and for linearization
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for a display according to equation (5) or
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for a display according to equation (7).
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their relationship matters to each other.
Small measuring spans (e.g. M = 100) would require Rref = R1 <0 according to equation (14). they
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tation remains, the divider ratio t (equation 8) must also be multiplied by the divider ratio tl of the voltage divider formed by the resistors -R refl and R re ,, -.