CH679885A5

CH679885A5 -

Info

Publication number: CH679885A5
Application number: CH186589A
Authority: CH
Inventors: Georg Dipl-Ing Ranft; Thomas Dr-Ing Klickermann; Lutz Dr-Ing Krause
Original assignee: Nagema Veb K
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-05-18
Publication date: 1992-04-30
Also published as: DD300203A7; DE3915835A1

Description

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CH 679 885 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine einkanalige Tempera-turmess- und -Übertragungsschaltung, unter Verwendung bekannter Baugruppen. Sie ist überall dort anwendbar, wo Temperaturen mit Widerstandsthermometern genau gemessen werden und eine einkanalige Messwertübertragung in digitaler Form zu einer Empfangsstation erfolgen sollen. Einsatzgebiete gibt es in der Prozess- und Automatisierungstechnik. Darüber hinaus ist durch den Einsatz geeigneter anderer resistiver Wandler auch die genaue Bestimmung anderer technisch-physikalischer Grössen möglich.

Zur Erzielung höchster Genauigkeiten bei der Temperaturmessung ist zum Beispiel nach DD-PS 205 524 oder DE-OS 3 321 862 bekannt, den Spannungsabfall des Messwiderstandes und eines Referenzwiderstandes, die beide mit demselben Strom gespeist werden, abwechselnd einer A/D-Wand-lung zuzuführen, mit rechentechnischen Mitteln aus beiden Messwerten den Temperaturwert zu berechnen und zur Anzeige zu bringen. Durch dieses hochgenaue Vergleichsverfahren werden die Drift-und Offseteinflüsse einer eventuell notwendigen Verstärkung und der A/D-Wandlung beseitigt.

Für die vorgesehene Messwertübertragung ist dieses Verfahren ungünstig, da zur Bestimmung der Temperatur der Mess- und Referenzwert übertragen werden müssten, eine Unterscheidung zwischen beiden Werten erfolgen muss und ein Messstellenumschalter mit Ansteuerung notwendig ist. Ein direktes Messverfahren mit möglichst fehlerfreier Wandlung ist für diese Anwendung technisch sinnnvoll.

In der DE-OS 3 639 558 ist eine Einrichtung zur Messung von Temperaturen beschrieben, bei der eine temperaturabhängige Brückenausgangsspannung nach Verstärkung und A/D-Wandlung direkt ausgewertet wird. Zur Ausschaltung der Fehler durch Schwankungen in der Versorgungsspannung ist der temperaturabhängige Widerstand in einer Brückenschaltung angeordnet, und zur Vermeidung des Drift- und Offsetfehlers wird dem A/D-Wand-ler die Differenz aus der verstärkten Offsetspannung und dem verstärkten offsetspannungsbehaf-teten Messwert angeboten. Dafür ist ein Differenzverstärker und eine Speicherschaltung, die über drei Schalter gesteuert wird, vorhanden. Nachteilig ist hier der hohe schaltungstechnische Aufwand zur Fehlerverringerung durch insbesondere die Brückenschaltung und den zusätzlichen Differenzverstärker. Die stabilisierende Wirkung der Brückenschaltung funktioniert ausserdem nur in einem stark eingeschränkten Temperaturmessbereich.

Für die A/D-Wandlung kommen in den genannten Patentschriften verschiedene Verfahren zur Anwendung. Für die vorgesehenen Anwendungen können wegen der Notwendigkeit einer Messwertübertragung nur solche Verfahren zur A/D-Wandlung verwendet werden, die ein der Eingangsgrösse proportionales kontinuierliches Signal liefern. Derartige Strom- beziehungsweise Spannungsfrequenzwandler sind zum Beispiel nach «radio fernsehen elektronik» 26 (1977) H. 15, S. 507 bekannt. Nachteilig ist dabei das zeitabhängige Ausgangssignal, das eine Synchronisation mit der Empfangsstation notwendig macht.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfache integrationsfähige Elektronikschaltung anzugeben, die unter Umgehung der vorgenannten Nach- ^ teile ähnlicher Anordnungen widerstandsproportionale elektrische oder optische Signale zuverlässig bildet, ohne dass ein hoher Aufwand an Bauelementen notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Temperaturmess- und -Übertragungsschaltung, mit der unter Verwendung an sich bekannter Baugruppen eine einkanalige digitale Messwertübertragung in optischer Form über Lichtwellenleiter zu einer Empfangsstation möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Temperaturmess- und -übertragungsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Danach ist ein Messwiderstand in Vierleiterschaltung, der mit seinen Spannungsabgriffen an einen Kurzschlussschalter und über einen Differenzverstärker an den Eingang eines Spannungs-Fre-quenzwandlers gelegt ist, im Strompfad an die interne Stromquelle des Wandlers angeschlossen, ein Abtast- und Halteglied befindet sich zwischen Eingangs- und Bezugsspannungsanschluss des Wandlers.

Der Ausgang des Spannungs-Frequenzwandlers ist über eine UND-Verknüpfung mit einer Ausgangsstufe verbunden, die vorzugsweise einen optischen Sender enthält. Die weiteren Eingänge der UND-Verknüpfung sind über Frequenzteiler und Verzögerungsgatter an den internen Oszillator des Wandlers angeschlossen. Die Frequenzteiler sind dabei so aufgebaut, dass ein definiertes Sende-Pause-Verhältnis entsteht. Die Steueranschlüsse des Kurzschlussschalters und des Abtast- und Haltegliedes sind über eine weitere UND-Verknüpfung so mit den Frequenzleitern verbunden, dass nur im zweiten Drittel der Sendepause der Kurzschlussschalter geschlossen und Abtastbetrieb eingeschaltet ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Genauigkeit der Stromquelle und des Oszillators des in dieser neuen Schaltungsanordnung benutzten Spannungs-Frequenzwandlers keinen Einfluss auf die Anzahl der gesendeten Impulse haben. Der Kurzschlussschalter und das Abtast- und Halteglied gestatten die automatische Kompensation des Offset-, Drift- und Gleichtaktspannungseinflusses.

Durch den Wegfall von Präzisionsbauelementen sinkt der Material-, Platz- und Kostenaufwand erheblich.

Die Schaltung ist insgesamt so aufgebaut, dass wesentliche Teile der Anordnung in einer integrierten Schaltungseinheit zusammengefasst werden können.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Blockschaltung der Temperaturmess- und -übertragungsschaltung. Sie enthält als Hauptbestandteil einen bekannten Spannungs-

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Frequenzwandler 1, der nach dem Integrationsverfahren mit Ladungsmengenausgleich im Einschwellenverfahren (Charge-Balancing) arbeitet. Ihm ist ein Differenzverstärker (2) vorangeschaltet, der mit seinen Eingängen an die Spannungsabgriffe des Messwiderstandes 3 angeschlossen ist. Der Messwiderstand (3) liegt im Strompfad zur Erzeugung der Rücksetzladung zwischen Betriebsspannung (7) und Stromquellenanschluss (4).

Dem Differenzverstärker (2) können zur Erhöhung seiner Eingangswiderstände noch zwei Impedanzwandler vorangeschaltet werden oder er kann auch als Instrumentationsverstärker ausgeführt sein. Der Ausgang (9) des Wandlers (1) ist über eine UND-Verknüpfung (12) mit der Ausgangsstufe 14, vorzugsweise ein optischer Sender, verbunden. Die weiteren drei Eingänge der UND-Verknüpfung (12) sind über zwei Verzögerungsgatter (13), einen ersten Frequenzteiler (10) mit wählbarem Teilungsverhältnis und über den ersten und einen zweiten Frequenzteiler (11) mit 2:1 Teilung an den Oszilla-toranschluss (8) angeschlossen. Weiter ist ein Kurzschlussschalter (15) zwischen den Spannungsabgriffen und ein Abtast- und Halteglied (16) zwischen dem Eingangs- (6) und Bezugsspannungsan-schluss (5) des Spannungs-Frequenzwandlers 1 angeordnet.

Die Steuereingänge dieser beiden Elemente sind gemeinsam über eine UND-Verknüpfung 17 mit dem ersten 10 und negierten Ausgang des zweiten Frequenzteilers 11 verbunden. Die Anordnung arbeitet folgendermassen:

Der Spannungsabfall des mit konstantem Strom gespeisten Messwiderstandes 3 in Vierleiterschaltung wird mit dem Differenzverstärker 2 verstärkt und dem Spannungs-Frequenzwandler 1 zugeführt, In ihm wird die widerstandsproportionale Eingangsspannung in eine Frequenz umgewandelt. Innerhalb des Wandlers 1 bestimmt der Widerstand R die Grösse des Eingangsstromes des Integrators. Erreicht seine Ausgangsspannung die Schaltschwelle des Komparators, wird dem Integratoreingang eine konstante Rücksetzladung zugeführt. Dies erfolgt so, dass während der durch den internen Oszillator festgelegten Rücksetzzeit ein konstanter Rücksetzstrom eingespeist wird. Da als Rücksetzstrom ebenfalls der Strom benutzt wird, mit dem der, Messwiderstand 3 gespeist wird, kompensieren sich Fehler durch Stromänderungen. An die Stabilität der Stromquelle brauchen deshalb keine hohen Anforderungen gestellt zu werden. Bei einem derartigen Charge-Balancing-Umsetzer wirken sich Änderungen des Integrationskondensators C, Drift der Komparatorschwelle, Schaltzeiten des Komparators und in bestimmten Grenzen Linearitätsfehler und Verzögerungszeiten des Integrators nicht auf die Wandlerkennlinie aus, wenn diese Grössen über einen Integrationsvorgang konstant bleiben. Das ist der grosse Vorteil der vorgeschlagenen Schaltung.

Zur Umwandlung der Ausgangsfrequenz in eine von der Empfangsstation auswertbare zeitunabhängige Impulszahl ist die UND-Verknüpfung 12 vorhanden, die über die Frequenzteiler 10,11 vom internen Oszillator des Wandlers 1 gesteuert wird.

Durch diese Verknüpfung hat wiederum die Stabilität des internen Oszillators keinen Einfluss auf das Messergebnis. Es brauchen keine Präzisionsbauelemente eingesetzt zu werden. Das Ausgangssignal ist durch die Anordnung und Dimensionierung der Frequenzteiler 10, 11 so aufgebaut, dass ein Sende-Pause-Verhältnis von 1:3 entsteht. Die Sendepause ist notwendig, damit der angeschlossene Auswerterechner die Impulszahl ohne zusätzliche Synchronisation empfangen und verarbeiten kann. Die eingeschalteten Verzögerungsgatter bewirken eine Verkürzung der Sendeimpulse zur Reduzierung des Leistungsbedarfs.

Als Ausgangsstufe 14 arbeitet eine Infrarot-LED mit Lichtwelienleiteranschluss.

Die Ausgangsfrequenz fa der Schaltung berechnet sich zu und die gesendete Impulszahl Za fa ' ai . ? ' "x ' Zi fe B

Zj ist die durch das Frequenzteilerverhältnis festgelegte maximal mögliche Impulszahl während der Sendezeit.

Für eine konstante von der Umgebungstemperatur unabhängige Verstärkung V sind geringste Offset- und Driftwerte des Differenzverstärkers 2 notwendig. Derartige Bauelemente sind sehr kostenaufwendig und schwer erhältlich. Deshalb wird im zweiten Drittel der Sendepause der Messwiderstand 3 mit dem Schalter 15 kurzgeschlossen und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 2, die sich jetzt aus der verstärkten Offsetspannung ergibt, einem Abtast- und Halteglied 16, das sich im Abtastbetrieb befindet, zugeführt. Nach dem Öffnen des Schalters 15 und Umschaltung auf Haltebetrieb wirkt am Eingang des Integrators die Differenz zwischen gespeichertem Offsetspan-nungswert und offsetspannungsbehafteten Messwert. Durch diese Anordnung arbeitet der Differenzverstärker mit einem automatischen Nullpunkt-abgleich, durch den die Einflüsse der Off set-, Drift- und Gleichtaktspannung verschwinden. Bei genügend grosser Verstärkung V wird auch die verbleibende Drift- und Offsetspannung des Integrators im Wandler 1 vernachlässigbar. Für den Schalter 15 wird ein mechanischer Schaltkontakt mit einem gegenüber dem Messwiderstand 3 vernachlässigbaren Kontaktübergangswiderstand benutzt.

Die Genauigkeit der gesamten Anordnung wird damit lediglich durch die Differenzverstärkung und den Widerstand R beeinflusst. Die Differenzverstärkung lässt sich mit zwei Widerständen einstellen, so dass insgesamt nur für drei Bauelemente eine höhere Präzision gefordert wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Einkanalige Temperaturmess- und -übertragungsschaltung, bestehend aus einem Messwiderstand in Vierleiterschaltung mit einem Kurzschlussschalter zwischen seinen Spannungsabgriffen, einem daran angeschlossenen Differenzverstärker und nachfolgenden Spannungs-Frequenzwandler mit Ladungsmengenkompensation, einem Abtast-und Halteglied, Frequenzteilern, einer Ausgangsstufe, UND-Verknüpfungen und Verzögerungsgatter, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (3) zwischen Betriebsspannung (7) und Stromquellenanschluss (4) des Spannungs-Frequenzwandlers (1) und das Abtast- und Halteglied (16) zwischen dem Eingangs- (6) und Bezugs-spannungsanschluss (5) des Spannungs-Frequenzwandlers (1) angeordnet sind, der Ausgang (9) des Spannungs-Frequenzwandlers (1) über eine UND-Verknüpfung (12) mit der Ausgangsstufe (14) verbunden ist, wobei die weiteren drei Eingänge der UND-Verknüpfung (12) einmal über zwei Verzögerungsgatter (13), einmal über einen ersten Frequenzteiler (10) mit wählbarem Teilungsverhältnis und einmal über einen zweiten Frequenzteiler (11 ) mit 2:1-Teilung und den ersten Frequenzteiler (10) an den Oszillatoranschluss (8) des Wandlers (1) gelegt sind, und dass vom Ausgang des ersten Frequenzteilers (10) und vom negierten Ausgang des zweiten Frequenzteilers (11) eine in der weiteren UND-Ver-knüpfung (17) zusammengefasste gemeinsame Steuerverbindung für den Kurzschlussschalter (15) und das Abtast- und Halteglied (16) vorhanden ist.

2. Einkanalige Temperaturmess- und -übertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs-Frequenzwandler (1), der Differenzverstärker (2), die Frequenzteiler (10, 11) die Verzögerungsgatter (13) und die UND-Verknüpfungen (12, 17) in einer integrierten Schaltungseinheit zusammengefasst sind.

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