CH653445A5

CH653445A5 - METHOD AND DEVICE FOR MEASURING AN ELECTRICAL RESISTANCE.

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: DE3101994C2; DE3101994A1

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- The invention relates to a method and not a. In addition, the voltage measuring device 3 has sufficient means for measuring an electrical resistance to be linear and the switches have to have the smallest possible failure of a voltage measuring device and a measuring current currents which, however, compensate for the constant current source which supplies them. if all switches are the same. The constant current source 2 is

Bei einer aus der DE-AS 24 48 337 bekannten Schaltungs- 60 fert den Messstrom I. In a circuit 60 known from DE-AS 24 48 337, the measuring current 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 arrangement, a constant current source is used and if the computer 5 is a digital computer, the span of the voltage drop across a resistance measuring device 3 to be measured is advantageously an analog / digital determined. Transducers, e.g. a voltage / frequency converter of the type

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 The invention is based on the object in Stand LM 331. The latter at the same time also contains a reference method to automate the measurement method described 65 Power source, which can be used for the construction of the constant current source and to make it independent of calibration processes and an input. which has the advantage of realizing that the temperature direction for its implementation. As the thermal response of the voltage / frequency converter, it has the further advantage that the calibration parameters currently in effect influence the measuring current I in opposite directions. As a calculator 5

wird vorteilhafterweise ein Mikrocomputer eingesetzt. Dieser enthält dann auch noch das Steuergerät 6 und den Speicher 4. a microcomputer is advantageously used. This then also contains the control unit 6 and the memory 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. If the electrical resistance R3 to be measured is temperature-dependent, the resistance measuring device can be used for temperature measurement. With heat meters this has e.g. the advantage that both temperature values are determined with a single measuring circuit, the computer 5 linearises and the change in the specific heat is compensated for by the computer. By forming differences, any errors that may still exist are eliminated, especially with small temperature differences.

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. In the ideal case, a voltage measurement value UQj at the output of the voltage measurement device 3 is proportional to an input voltage Uy of this voltage measurement device 3. In practice, this is rarely the case, since an input voltage of zero usually does not result in an output voltage of zero. The general formula U0j- = A + B.Ujj therefore applies to the voltage measuring device 3, where j denotes the measurement and in our case can assume the values 1, 2 and 3. If the calibration parameters A and B were known or at least constant, they could be determined and corrected once and for all when the voltage measuring device 3 was first put into operation. However, since they are generally time and / or temperature dependent, their values must be continuously redetermined for each measurement and the voltage measured value U0j must be corrected accordingly.

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. This is done with the help of three measurements in quick succession. During the first measurement, the control device 6 controls the first switch S1 in such a way that its two make contacts are closed, on the one hand the measurement current I of the constant current source 2 flowing through the auxiliary resistor Rl and on the other hand the voltage drop Un = I.R1 at the auxiliary resistor Rl with the aid of the voltage measuring device 3 is measured. During the second measurement, the control unit 6 closes the contacts of the second switch S2. Then, on the one hand, the measuring current I of the constant current source 2 flows through the total resistance from the auxiliary resistance Rl and the reference resistance R2, on the other hand the voltage drop Ui2 = I. (R1 + R2) is measured at this total resistance with the aid of the voltage measuring device 3. During the third measurement, the control device 6 controls the third switch S3 in such a way that its two make contacts are closed, the measurement current I of the constant current source 2 flows in the total resistance from the auxiliary resistor Rl and the electrical resistance R3 to be measured and the voltage drop Ui3 = I. (R1 + R3) is measured at this total resistance using the voltage measuring device 3. The three voltage measured values of the first measurement U0i, the second measurement U02 and the third measurement U03 are stored in the memory 4 and are available there to the computer 5.

Die drei Gleichungen U0, = A + B.Uii = A + B. (I.R1), The three equations 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) U02 = A + B. Ui2 = A + B.I. (Rl + R2) and U03 = A + B.Ui3 = A + B.I. (Rl + R3)

ergeben nach Elimination der zwei Unbekannten A und B den gesuchten Widerstandswert: result in the resistance value after the elimination of the two unknowns A and B:

R3 = R2.(Uo3-Uoi)/(Uo2-Uo1). 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. With the help of this equation and on the basis of the voltage measurement values U0i, U02 and U03 stored in the memory 4 and the known resistance value R2, the computer 5 can now calculate the sought value of the electrical resistance R3 to be measured. The unknown and variable calibration parameters A and B therefore no longer have any influence on the measurement result of the electrical resistance R3 to be measured.

Ist das Spannungsmessgerät 3 ein Spannungs/Frequenz- Is the voltage measuring device 3 a voltage / frequency

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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: Transducer, U0j is to be replaced by foj = 1 / T0j-, the frequency measured values f0j frequencies and T0j representing the associated periods. The equation of the electrical resistance R3 to be measured then becomes:

RÎ — R-> RÎ - R->

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

= r2 = r2

TQ2 ' (TQI—T| TQ2 '(TQI-T |

03 03

To3 ' (Toi-Tq2) 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. In addition to the auxiliary resistor R1, the reference resistor R2 and the electrical resistor R3 to be measured, the input part 1 according to FIG. 2 consists of a first circuit resistor R4, a second circuit resistor R5, a fourth switch S4, a fifth switch S5, a sixth switch S6, a seventh switch S7, a first operational amplifier 7 and a second operational amplifier 8. A reference voltage source of the voltage Uref, not shown here, feeds the inverting input of the first operational amplifier 7 to the measuring current I via the first switching resistor R4 The non-inverting input of the first operational amplifier 7 is grounded via the second circuit resistance R5. Here, too, one pole of the auxiliary resistor R1, the reference resistor R2 and the electrical resistor R3 to be measured are electrically connected to one another. The second pole of the auxiliary resistor R1 is led to the inverting input of the first operational amplifier 7. The second pole of the reference resistor R2 is connected to the output of the first operational amplifier 7 using a make contact of the fourth switch S4 and to the non-inverting input of the second operational amplifier 8 using a make contact of the seventh switch S7. The second pole of the electrical resistance R3 to be measured is connected to the output of the first operational amplifier 7 by means of a make contact of the fifth switch S5 and to the non-inverting input of the second operational amplifier 8 by means of a make contact of the sixth switch S6. The output of the second operational amplifier 8 is routed to its inverting input and to the output of the input part 1. All four switches S4, S5, S6 and 40 S7 have only a single make contact. The analog switch type CD 4066 is advantageously used here for these switches, since this is a quadruple switch and all four switches are integrated on a single semiconductor crystal, which has the advantage of low scatter for the 45 internal resistances of the closed switch make contact -th has.

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. It is known from the circuit theory of the operational amplifiers that the same ohmic value is to be selected for the second wiring resistor R5 as for the parallel connection, that is, from the first wiring resistor R4 and the feedback resistor of the first operational amplifier 7. As is also known from the theory of operational amplifiers, the inverting one Input of the operational amplifier 7 virtually to ground and thus forms the reference point for all 55 voltages. The measuring current I is therefore equal to Uref / R4. Since the inverting input of the first operational amplifier 7 has a high resistance and therefore its input current is negligibly small compared to the measurement current I, the entire measurement current I flows through the auxiliary resistor R1 even after it has passed through the wiring resistor R4. The second operational amplifier 8 is connected as a non-inverting amplifier with a gain factor of 1.

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 During the first measurement, the make contacts of the fifth switch S5 and the seventh switch S7 are closed. Since the non-inverting input of the second operational amplifier 8 is also high-impedance and its input current is therefore negligibly small compared to the measurement current I, the measurement current I overflows from the auxiliary resistor R1

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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. the electrical resistance R3 to be measured and the closed make contact of the fifth switch S5 to the output of the first operational amplifier 7. Thus, the voltage drop across the auxiliary resistor Rl Uü = - I.R1 via the reference resistor R2, the closed make contact of the seventh switch S7 and the second operational amplifier 8 given to the output of the input part 1. This happens without any significant additional voltage drop, since the input current of the non-inverting input of the second operational amplifier 8 is negligibly small.

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. During the second measurement, the make contacts of the fourth switch S4 and the seventh switch S7 are closed, so that this time, in the same way as described above, the voltage drop across the sum resistor consisting of auxiliary resistor R1 and reference resistor R2 U} 2 = - I (R1 + R2) is determined.

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. During the third measurement, the make contacts 5 of the fifth switch S5 and the sixth switch S6 are closed, so that this time the voltage drop across the total resistance consisting of auxiliary resistor Rl and electrical resistance R3 Ui3 = - I. (R1 + R3) is measured.

o O

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. The three measurement results obtained in this way are, apart from the sign, the same as those which were achieved by the resistance measuring device according to FIG. 1.

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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PATENT CLAIMS are taken into account and so if they are time-variable and / or

1. Methods for measuring an electrical resistance are temperature-dependent, the influence of time and / or which is eliminated with the aid of a voltage measuring device and a measuring temperature on the measuring result.

current-supplying constant current source, characterized in that this object is achieved according to the invention in the net that with the help of switches (S 1, S2, S3 or S4, S5, S6, 5 characteristics of claim 1 or 2 specified S7) and a control unit (6) solved in a first measurement of the features.

Voltage drop across an auxiliary resistor (Rl), in one embodiment of the invention are shown in the drawing.

second measurement of the voltage drop at a total winding are shown and are described in more detail below, the status consisting of the auxiliary resistor (Rl) and an Es show:

Reference resistor (R2) and in a third measurement of i0 Fig. 1 is a block diagram of a resistance measuring device voltage drop across a total resistance, consisting of device and from the auxiliary resistor (Rl) and the electrical to be measured; Fig. 2 is a block diagram of a modified input resistance (R3), is measured, with all three part of the resistance measuring device.

Measurements of the same measuring current (1) the different wi. The same reference numbers denote in all figures of the conditions (Rl, R2, R3) that the three drawing parts also have the same parts.

voltage measurement values (U0i, U02, U03) stored in a memory (4). The measuring device has an input part 1, which

and after completion of the third measurement with the help of rather an auxiliary resistor R1, a reference resistor R2, of a computer (5) so that unknown an electrical resistance R3 to be measured, a first and / or variable calibration parameter (A, B) be eliminated. Switch S1, a second switch S2 and a third

2. Device for performing the method according to 20 switch S3 contains. Furthermore, the measuring device includes a claim 1, characterized by the arrangement of a two-pole constant current source 2, a voltage measuring device auxiliary resistor (Rl), a reference resistor (R2), 3, a memory 4, a computer 5 and a control device 6. The three multiple switches (S 1, S2, S3 or S4, S5, S6, S7) for the time switch S1, S2 and S3 each have two make contacts and successive connections of the constant current source can be electromechanical switches, such as Relay,

(2) and the voltage measuring device (3) with the auxiliary resistor or analog semiconductor switch, e.g. Analog switch stood (Rl), with the total resistance consisting of auxiliary type CD 4066.

resistor (Rl) and reference resistor (R2) and with each one pole of the auxiliary resistor Rl, the reference resistor

Sum resistance consisting of auxiliary resistance (Rl) and level R2 and the electrical resistance to be measured electrical resistance (R3), a control unit R3 are electrically connected to each other, and this means (6) for controlling the switches (S 1, S2, S3 or S4, S5, S6, 30 same point is via a first make contact of the first S7), a memory (4) for storing at least three switches S1 to a first pole of the constant current source 2 voltage measurement values (U0i, U02, U03) and one Computer (5) and via the second make contact of the first switch S1 to eliminate unknown and / or variable calibration parameters connected to the measurement input of the voltage measuring device 3 (A, B). sen. The second pole of the auxiliary resistor R1 and the second

3. The method according to claim 1, characterized in that 35 poles of the constant current source 2 are connected to ground. The second that the elimination of the calibration parameters (A, B) with the help of the pole of the reference resistor R2 is by means of a first relationship R3 = R2. (U03-U0i) / (U02-U0i) takes place, with U03 make contact of the second switch S2 on the first pole the voltage measurement value of the third measurement, U02 the voltage of the constant current source 2 and by means of the second closing measurement value of the second measurement, U01 the Voltage contact of the second switch S2 is switched to the measuring input of the measured value of the first measurement, R3 the value of the voltage measuring device 3 to be measured. The second pole of the electrical resistance and R2 the value of the reference electrical resistance R3 is represented by means of such a state. the first closing contact of the third switch S3 to the

4. Device according to claim 2, characterized, most pole of the constant current source 2 and using the second that the voltage measuring device (3) an analog / digital wall make contact of the third switch S3 on the Messein-ler and the computer (5) Digital computer is. 45 gear of the voltage measuring device 3 out. The exit of the

5. Device according to claim 4, characterized in that the voltage measuring device 3 is at the input of the memory 4, that the analog / digital converter is a voltage / frequency whose output is in turn the converter input 5 and the voltage measured values (U01, U02, U03) is free. The control device 6 controls one in each case, in which FIG. 1 is a reference measurement value (f0i, f02, ^ 3). Dotted line, the three switches S1, S2

6. Device according to claim 4 or 5, characterized thereby and S3 and via one or more additional lines that the computer (5), the memory (4) and the control computer 5th

device (6) are parts of a microcomputer. The reference resistor R2 is a precision resistor with a tolerance value of ± 0.01%. All remaining elements

elements are short-term stable, i.e. for the duration of one

55 measurement cycle of approx. 1 second their characteristics change