CH653445A5

CH653445A5 - Verfahren und einrichtung zur messung eines elektrischen widerstandes.

Info

Publication number: CH653445A5
Application number: CH934380A
Authority: CH
Inventors: Hartmut Petzold; Norbert Schmalstieg
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1985-12-31
Also published as: DE3101994A1; DE3101994C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine nicht. Ausserdem hat das Spannungsmessgerät 3 hinreichend Einrichtung zur Messung eines elektrischen Widerstandes mit linear zu sein und haben die Schalter möglichst kleine FehlHilfe eines Spannungsmessgerätes und einer einen Messstrom ströme aufzuweisen, welche sich allerdings kompensieren, liefernden Konstantstromquelle. wenn alle Schalter gleich sind. Die Konstantstromquelle 2 lie-

Bei einer aus der DE-AS 24 48 337 bekannten Schaltungs- 60 fert den Messstrom I.

anordnung wird eine Konstantstromquelle verwendet und Ist der Rechner 5 ein Digitalrechner, so ist das Span der Spannungsabfall über einem zu messenden Widerstand nungsmessgerät 3 vorteilhafterweise ein Analog/Digitalbestimmt. Wandler, z.B. ein Spannungs/Frequenz-Wandler vom Typ

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand LM 331. Letzterer enthält gleichzeitig noch eine Referenz-der Technik beschriebene Messmethode zu automatisieren 65 Stromquelle, welche für den Aufbau der Konstantstromquelle und unabhängig zu machen von Eichvorgängen und eine Ein- 2 verwendet werden kann, was den Vorteil hat, dass der Tem-richtung zu ihrer Durchführung zu realisieren. Sie hat als wei- peraturgang des Spannungs/Frequenz-Wandlers den Wert teren Vorteil, dass die gerade geltenden Eichparameter be- des Messstromes I gegensinnig beeinflusst. Als Rechner 5

wird vorteilhafterweise ein Mikrocomputer eingesetzt. Dieser enthält dann auch noch das Steuergerät 6 und den Speicher 4.

Ist der zu messende elektrische Widerstand R3 temperaturabhängig, so kann die Widerstands-Messeinrichtung der Temperaturmessung dienen. Bei Wärmezählern hat dies z.B. den Vorteil, dass mit einer einzigen Messschaltung beide Temperaturwerte ermittelt werden, eine Linearisierung durch den Rechner 5 erfolgt und die Änderung der spezifischen Wärme durch den Rechner kompensiert wird. Durch Differenzbildungen fallen eventuell noch vorhandene Fehler gerade bei kleinen Temperaturdifferenzen weg.

Im idealen Falle ist ein Spannungsmesswert UQj am Ausgang des Spannungsmessgerätes 3 einer Eingangsspannung Uy dieses Spannungsmessgerätes 3 proportional. In der Praxis ist dies nur selten der Fall, da eine Eingangsspannung Null in der Regel nicht eine Ausgangsspannung Null ergibt. Daher gilt für das Spannungsmessgerät 3 die allgemeine Formel U0j-= A + B.Ujj, wobei j die Messung kennzeichnet und in unserem Fall die Werte 1,2 und 3 annehmen kann. Wären die Eichparameter A und B bekannt oder zumindestens konstant, könnten sie zur Zeit der ersten Inbetriebnahme des Spannungsmessgerätes 3 ein für allemal ermittelt und korrigiert werden. Da sie jedoch in der Regel zeit- und/oder temperaturabhängig sind, müssen ihre Werte fortlaufend für jede Messung neu bestimmt und der Spannungsmesswert U0j dementsprechend korrigiert werden.

Dies geschieht mit Hilfe von drei kurz aufeinanderfolgenden Messungen. Während der ersten Messung steuert das Steuergerät 6 den ersten Schalter S1 so, dass seine beiden Schliesskontakte geschlossen sind, wobei einerseits der Messstrom I der Konstantstromquelle 2 den Hilfswiderstand Rl durchfliesst und andererseits der Spannungsabfall Un = I.R1 am Hilfswiderstand Rl mit Hilfe des Spannungsmessgerätes 3 gemessen wird. Während der zweiten Messung bewirkt das Steuergerät 6 das Schliessen der Kontakte des zweiten Schalters S2. Dann durchfliesst einerseits der Messstrom I der Konstantstromquelle 2 den Summenwiderstand aus Hilfswiderstand Rl und Referenzwiderstand R2, andererseits wird der Spannungsabfall Ui2 = I.(R1 + R2) an diesem Summenwiderstand mit Hilfe des Spannungsmessgerätes 3 gemessen. Während der dritten Messung steuert das Steuergerät 6 den dritten Schalter S3 so, dass seine beiden Schliesskontakte geschlossen, der Messstrom I der Konstantstromquelle 2 im Summenwiderstand aus dem Hilfswiderstand Rl und dem zu messenden elektrischen Widerstand R3 fliesst und der Spannungsabfall Ui3 = I.(R1 + R3) an diesem Summenwiderstand mit Hilfe des Spannungsmessgerätes 3 gemessen wird. Die drei Spannungsmesswerte der ersten Messung U0i, der zweiten Messung U02 und der dritten Messung U03 werden im Speicher 4 abgespeichert und stehen dort dem Rechner 5 zur Verfügung.

Die drei Gleichungen U0, = A + B.Uii = A + B. (I.R1),

U02 = A + B.Ui2 = A + B.I. (Rl + R2)und U03 = A + B.Ui3 = A + B.I. (Rl + R3)

ergeben nach Elimination der zwei Unbekannten A und B den gesuchten Widerstandswert:

R3 = R2.(Uo3-Uoi)/(Uo2-Uo1).

Mit Hilfe dieser Gleichung und an Hand der im Speicher 4 gespeicherten Spannungsmesswerte U0i, U02 und U03 und des bekannten Widerstandswertes R2 kann nun der Rechner 5 den gesuchten Wert des zu messenden elektrischen Widerstandes R3 errechnen. Die unbekannten und variablen Eichparameter A und B haben somit keinen Einfluss mehr auf das Messresultat des zu messenden elektrischen Widerstandes R3.

Ist das Spannungsmessgerät 3 ein Spannungs/Frequenz-

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Wandler, so ist U0j durch foj = 1/T0j- zu ersetzen, wobei die Frequenzmesswerte f0j Frequenzen und T0j die zugehörigen Perioden darstellen. Die Gleichung des zu messenden elektrischen Widerstandes R3 wird dann:

RÎ — R->

(fo3~fpi) (f<)2_foi)

= r2

TQ2 ' (TQI—T|

03

To3 ' (Toi-Tq2)

Das Eingangsteil 1 nach der Fig. 2 besteht zusätzlich zum io Hilfswiderstand Rl, zum Referenzwiderstand R2 und zum zu messenden elektrischen Widerstand R3 aus einem ersten Be-schaltungswiderstand R4, einem zweiten Beschaltungswider-stand R5, einem vierten Schalter S4, einem fünften Schalter S5, einem sechsten Schalter S6, einem siebten Schalter S7, ei-15 nem ersten Operationsverstärker 7 und einem zweiten Operationsverstärker 8. Eine hier nicht gezeichnete Referenzspannungsquelle der Spannung Uref speist den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 7 über den ersten Be-schaltungswiderstand R4 mit dem Messstrom I. Der nichtin-20 vertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 7 liegt über den zweiten Beschaltungswiderstand R5 an Masse. Auch hier sind je ein Pol des Hilfswiderstandes Rl, des Referenzwiderstandes R2 und des zu messenden elektrischen Widerstandes R3 elektrisch miteinander verbunden. Der zweite Pol des 25 Hilfswiderstandes Rl ist auf den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 7 geführt. Der zweite Pol des Referenzwiderstandes R2 ist mit Hilfe eines Schliesskontaktes des vierten Schalters S4 auf den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 7 und mit Hilfe eines Schliesskontaktes des so siebten Schalters S7 auf den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 8 geschaltet. Der zweite Pol des zu messenden elektrischen Widerstandes R3 ist mittels eines Schliesskontaktes des fünften Schalters S5 mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 7 und mittels eines 35 Schliesskontaktes des sechsten Schalters S6 mit dem nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 8 verbunden. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 8 ist auf dessen invertierenden Eingang und auf den Ausgang des Eingangsteils 1 geführt. Alle vier Schalter S4, S5, S6 und 40 S7 besitzen nur einen einzigen Schliesskontakt. Vorteilhafterweise wird hier für diese Schalter der Analog-Schalter vom Typ CD 4066 verwendet, da dieser ein Vierfach-Schalter ist und alle vier Schalter auf einen einzigen Halbleiter-Kristall integriert sind, was den Vorteil geringer Streuungen für die 45 Innenwiderstände der geschlossenen Schalter-Schliesskontak-te hat.

Aus der Schaltungstheorie der Operationsverstärker ist bekannt, dass für den zweiten Beschaltungswiderstand R5 der gleiche Ohmwert zu wählen ist wie für die Parallelschaltung so aus dem ersten Beschaltungswiderstand R4 und dem Rückkopplungswiderstand des ersten Operationsverstärkers 7. Wie aus der Theorie der Operationsverstärker ebenfalls bekannt, liegt der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 7 virtuell an Masse und bildet somit den Bezugspunkt aller 55 Spannungen. Der Messstrom I ist daher gleich Uref/R4. Da der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 7 hochohmig und daher sein Eingangsstrom gegenüber dem Messstrom I vernachlässigbar klein ist, durchfliesst der gesamte Messstrom I auch, nachdem er den Beschaltungswider-60 stand R4 durchquert hat, den Hilfswiderstand Rl. Der zweite Operationsverstärker 8 ist als nicht-invertierender Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 geschaltet.

Während der ersten Messung sind die Schliesskontakte des fünften Schalters S5 und des siebten Schalters S7 geschlos-fi5 sen. Da der nicht-invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 8 ebenfalls hochohmig und daher sein Eingangsstrom gegenüber dem Messstrom I vernachlässigbar klein ist, fliesst der Messstrom I vom Hilfswiderstand Rl über

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den zu messenden elektrischen Widerstand R3 und den geschlossenen Schliesskontakt des fünften Schalters S5 zum Ausgang des ersten Operationsverstärkers 7. Somit wird der Spannungsabfall am Hilfswiderstand Rl Uü = — I.R1 über den Referenzwiderstand R2, den geschlossenen Schliesskontakt des siebten Schalters S7 und den zweiten Operationsverstärker 8 auf den Ausgang des Eingangsteils 1 gegeben. Dies geschieht ohne nennenswerten zusätzlichen Spannungsabfall, da der Eingangsstrom des nicht-invertierenden Eingangs des zweiten Operationsverstärkers 8 vernachlässigbar klein ist.

Während der zweiten Messung sind die Schliesskontakte des vierten Schalters S4 und des siebten Schalters S7 geschlossen, so dass auf die gleiche Art und Weise wie oben beschrieben diesmal der Spannungsabfall am Summenwiderstand bestehend aus Hilfswiderstand Rl und Referenzwiderstand R2 U}2 = — I(R1 + R2) ermittelt wird.

Während der dritten Messung sind die Schliesskontakte 5 des fünften Schalters S5 und des sechsten Schalters S6 geschlossen, so dass diesmal der Spannungsabfall am Summenwiderstand bestehend aus Hilfswiderstand Rl und zu messenden elektrischen Widerstand R3 Ui3 = - I.(R1 + R3) gemessen wird.

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Die so erhaltenen drei Messresultate sind abgesehen vom Vorzeichen die gleichen wie diejenigen, welche durch die Wi-derstands-Messeinrichtung nach der Fig. 1 erzielt wurden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE rücksichtigt werden und so, falls diese zeitvariabel und/oder

1. Verfahren zur Messung eines elektrischen Widerstandes temperaturabhängig sind, der Einfluss der Zeit und/oder der mit Hilfe eines Spannungsmessgerätes und einer einen Mess- Temperatur auf das Messergebnis eliminiert wird.

ström liefernden Konstantstromquelle, dadurch gekennzeich- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im net, dass mit Hilfe von Schaltern (S 1, S2, S3 bzw. S4, S5, S6, 5 Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bzw. 2 angegebenen S7) und eines Steuergerätes (6) in einer ersten Messung der Merkmale gelöst.

Spannungsabfall an einem Hilfswiderstand (Rl), in einer Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich-

zweiten Messung der Spannungsabfall an einem Summenwi- nung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben, derstand bestehend aus dem Hilfswiderstand (Rl) und einem Es zeigen:

Referenzwiderstand (R2) und in einer dritten Messung der i0 Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Widerstands-Messeinrich-Spannungsabfall an einem Summenwiderstand, bestehend tung und aus dem Hilfswiderstand (Rl) und dem zu messenden elektri- Fig. 2 ein Blockschaltbild eines abgeänderten Eingangs-schen Widerstand (R3), gemessen wird, wobei bei allen drei teils der Widerstands-Messeinrichtung.

Messungen der gleiche Messstrom (1 ) die verschiedenen Wi- Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der derstände (Rl, R2, R3) durchfliesst, dass ferner die drei Span- 15 Zeichnung die gleichen Teile.

nungsmesswerte (U0i, U02, U03) in einem Speicher (4) gespei- Die Messeinrichtung weist einen Eingangsteil 1 auf, wel-

chert und nach Beendigung der dritten Messung mit Hilfe ei- eher einen Hilfswiderstand Rl, einen Referenzwiderstand R2, nes Rechners (5) so ausgewertet werden, dass unbekannte einen zu messenden elektrischen Widerstand R3, einen ersten und/oder variable Eichparameter (A, B) eliminiert werden. Schalter S1, einen zweiten Schalter S2 und einen dritten
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach 20 Schalter S3 enthält. Ferner gehören zur Messeinrichtung eine Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung eines zweipolige Konstantstromquelle 2, ein Spannungsmessgerät Hilfswiderstandes (Rl), eines Referenzwiderstandes (R2), 3, ein Speicher 4, ein Rechner 5 und ein Steuergerät 6. Die drei mehrerer Schalter (S 1, S2, S3 bzw. S4, S5, S6, S7) zum zeitlich Schalter S1, S2 und S3 besitzen je zwei Schliesskontakte und aufeinander folgenden Verbinden der Konstantstromquelle können elektromechanische Schalter sein, wie z.B. Relais,

(2) und des Spannungsmessgerätes (3) mit dem Hilfswider- 25 oder analoge Halbleiterschalter, wie z.B. Analog-Schalter stand (Rl), mit dem Summenwiderstand bestehend aus Hilfs- vom Typ CD 4066.

widerstand (Rl) und Referenzwiderstand (R2) und mit dem Je ein Pol des Hilfswiderstandes Rl, des Referenzwider-

Summenwiderstand bestehend aus Hilfswiderstand (Rl) und standes R2 und des zu messenden elektrischen Widerstandes zu messenden elektrischen Widerstand (R3), eines Steuergerä- R3 sind elektrisch miteinander verbunden, und dieser gemeintes (6) zum Steuern der Schalter (S 1, S2, S3 bzw. S4, S5, S6, 30 same Punkt ist über einen ersten Schliesskontakt des ersten S7), eines Speichers (4) zum Speichern von mindestens drei Schalters S1 an einen ersten Pol der Konstantstromquelle 2 Spannungsmesswerten (U0i, U02, U03) und eines Rechners (5) und über den zweiten Schliesskontakt des ersten Schalters S1 zur Erliminierung von unbekannten und/oder variablen Eich- an den Messeingang des Spannungsmessgerätes 3 angeschlos-parametern (A, B). sen. Der zweite Pol des Hilfswiderstandes Rl und der zweite
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 35 Pol der Konstantstromquelle 2 liegen an Masse. Der zweite dass die Eliminierung der Eichparameter (A, B) mit Hilfe der Pol des Referenzwiderstandes R2 ist mittels eines ersten Beziehung R3 = R2. (U03-U0i)/(U02-U0i) erfolgt, wobei U03 Schliesskontaktes des zweiten Schalters S2 auf den ersten Pol den Spannungsmesswert der dritten Messung, U02 den Span- der Konstantstromquelle 2 und mittels des zweiten Schliess-nungsmesswert der zweiten Messung, U01 den Spannungs- kontaktes des zweiten Schalters S2 auf den Messeingang des messwert der ersten Messung, R3 den Wert des zu messenden 40 Spannungsmessgerätes 3 geschaltet. Der zweite Pol des zu elektrischen Widerstandes und R2 den Wert des Referenzwi- messenden elektrischen Widerstandes R3 ist mit Hilfe eines derstandes darstellt. ersten Schliesskontaktes des dritten Schalters S3 auf den er-
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, sten Pol der Konstantstromquelle 2 und mit Hilfe des zweiten dass das Spannungsmessgerät (3) ein Analog/Digital-Wand- Schliesskontaktes des dritten Schalters S3 auf den Messein-ler und der Rechner (5) ein Digitalrechner ist. 45 gang des Spannungsmessgerätes 3 geführt. Der Ausgang des
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, Spannungsmessgerätes 3 liegt am Eingang des Speichers 4, dass der Analog/Digital-Wandler ein Spannungs/Frequenz- dessen Ausgang wiederum auf den Eingang des Rechners 5 Wandler ist und die Spannungsmesswerte (U01, U02, U03) Fre- geführt ist. Das Steuergerät 6 steuert über je eine, in der Fig. 1 quenzmesswerte (f0i, f02, ^3) sind. strich-punktiert dargestellte Leitung die drei Schalter S1, S2
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn- so und S3 und über eine oder mehrere zusätzliche Leitungen den zeichnet, dass der Rechner (5), der Speicher (4) und das Steu- Rechner 5.

ergerät (6) Teile eines Mikrocomputers sind. Der Referenzwiderstand R2 ist ein Präzisionswiderstand mit einem Toleranzwert von ± 0,01%. Alle restlichen Ele-

mente sind kurzzeitstabil, d.h. während der Dauer eines

55 Messzyklus von ca. 1 Sekunde ändern sich ihre Kenndaten