DD233646A1

DD233646A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR COMPENSATING THE NONLINEARITY OF SENSOR GUIDELINES

Info

Publication number: DD233646A1
Application number: DD27229285A
Authority: DD
Inventors: Winfried Bennemann; Gerhard Naumann; Guenther Pangert
Original assignee: Leipzig Werkstoffpruefmasch
Priority date: 1985-01-02
Filing date: 1985-01-02
Publication date: 1986-03-05

Abstract

Schaltungsanordnung zur Kompensierung der Nichtlinearitaet langfristig stabiler Kennlinien von Sensoren zur elektrischen Messung nichtelektrischer Groessen mit dem Ziel einer schnellen, hochpraezisen Kompensierung auch bei nichtquasistatischen Messvorgaengen. Die Aufgabe besteht in der Nichtanwendung von Analog-Digital-Umsetzern und/oder rechentechnischer Einrichtungen und wird dadurch geloest, dass dem Gegenkopplungswiderstand eines am Messsignal eines Sensors anliegenden Inverters die Serienschaltung eines Operationsverstaerkers, einer Schaltdiode und eines weiteren Widerstandes gegenlaeufig parallelgeschaltet ist, wobei der Ausgang oder der Eingang der Schaltdiode mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstaerkers verbunden ist. In einer Ausgestaltung ist der ersten Schaltungsanordnung eine zweite, abgewandelte vorgeschaltet, wobei der Ausgang eines Einstellpotentiometers ueber einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Inverter-Operationsverstaerkers der zweiten und der Ausgang des Serienschaltungswiderstandes der zweiten mit dem invertierenden Eingang des Inverter-Operationsverstaerkers der ersten Schaltungsanordnung verbunden ist. Mehrere zweite, abgewandelte Schaltungsanordnungen sind auf gleiche Weise mit einer einzigen ersten Schaltungsanordnung zusammenfuegbar. Fig. 3Circuit arrangement for compensating the non-linearity of long-term stable characteristics of sensors for the electrical measurement of non-electrical quantities with the aim of fast, highly accurate compensation even in the case of non-quasi-static measuring processes. The object is the non-application of analog-to-digital converters and / or computational devices and is solved in that the negative feedback resistor of an applied to the measuring signal of a sensor inverter, the series circuit of a Operationsverstaerkers, a switching diode and another resistor is connected in parallel gegenl, the output or the input of the switching diode is connected to the inverting input of the operational amplifier. In one embodiment, the first circuit arrangement is preceded by a second, modified, wherein the output of a Einstellpotentiometers connected via a resistor to the inverting input of the inverter Operationsverstaerkers the second and the output of the series resistor of the second to the inverting input of the inverter Operationsverstaerkers the first circuit arrangement is. Several second, modified circuit arrangements can be combined in the same way with a single first circuit arrangement. Fig. 3

Description

Field of application of the invention

Die Anwendung der Erfindung erstreckt sich auf Sensoren zur elektrischen Messung nichtelektrischer Großen, bei denen in der Regel Abweichungen in der Linearität zwischen dem nichtelektrischen Eingangssignal und dem elektrischen Ausgangssignal bestehen, die eine hochgenaue Ermittlung der Große nicht zulassen Als spezielles Anwendungsgebiet kommen Sensoren in Betracht, bei denen langfristig ein stabiler Zusammenhang zwischen nichtelektnschem Eingangssignal und elektrischem Ausgangssignal bestehtThe application of the invention extends to sensors for the electrical measurement of non-electrical magnitudes, in which there are usually deviations in the linearity between the non-electrical input signal and the electrical output signal, which do not allow a highly accurate determination of the size of sensors as a special field of application which in the long term has a stable relationship between non-selective input signal and electrical output signal

Characteristic of the known technical solutions

Aus "Elektronik" Heft 4/1980, S 57 60 ist es bekannt, die Nichtlineantat der Kennlinie eines Sensors dadurch zu kompensieren, daß dessen Ausgangssignal einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt wird, dessen Kennlinie bewußt nichtlinear ausgeführt ist, so daß am Ausgang des Umsetzers ein Signal ansteht, das dem nichtelektrischen Eingangssignal des Sensors proportional ist Ein Nachteil dieser Losung ist, daß sie den Anforderungen an eine hohe Präzision nicht in jedem Fall zu entsprechen vermag, da die Möglichkeit besteht, daß nicht korrigierbare Fehler in das Meßergebnis eingehen Aus Betriebsunterlagen des VEB Meßelektronik "Otto Schon", Dresden, ist einp weitere Losung bekannt Das Ausgangssignal des Sensors wird digitalisiert und anschließend rechentechnisch entsprechend der bekannten Nichtlinearitatskennlinie des Sensors derart korrigiert, daß Proportionalität besteht zwischen dem nichtelektnschen Eingangssignal des Sensors und dem erhaltenen elektrischen Ausgangssignal der korrigierenden Einrichtung Nachteilig dabei ist ein erheblicher Zeitaufwand Des weiteren ist diese Losung nur anwendbar bei quasistatischen MeßvorgangenFrom "Electronics" Issue 4/1980, S 57 60 it is known to compensate for the Nichtlineantat the characteristic of a sensor in that the output signal is fed to an analog-to-digital converter whose characteristic is deliberately carried out non-linear, so that at the output of the A disadvantage of this solution is that it can not meet the requirements for high precision in every case, because there is the possibility that uncorrectable errors are included in the measurement result from operating documents The output signal of the sensor is digitized and then computationally corrected according to the known Nichtlinearitatskennlinie the sensor such that proportionality exists between the nichtelektnschen input signal of the sensor and the electrical output signal of the obtained Corrective device The disadvantage is a considerable amount of time. Furthermore, this solution is only applicable to quasi-static measuring procedures

Object of the invention

Als Ziel der Erfindung soll eine schnelle, hochprazise Kompensierung der Nichtlinearitat von Sensorkennlmien auch bei nichtquasistischen Meßvorgangen erreicht werdenIt is an object of the invention to achieve a fast, high-precision compensation of the non-linearity of sensor characteristics even in the case of nonquasistic measurement processes

Explanation of the essence of the invention

Die in der Charakteristik der bekannten technischen Losungen beschriebenen Nachteile lassen sich auf folgende Ursachen zurückfuhrenThe disadvantages described in the characteristic of the known technical solutions can be attributed to the following causes

In der erstgenannten Losung muß davon ausgegangen werden, daß Sensor und Analog-Digital-Umsetzer im allgemeinen unterschiedliche Nichtlineantaten aufweisen Präzise Ergebnisse setzen hier aber voraus, daß beide Nichtlineantaten entgegengesetzt übereinstimmen müssen Abweichungen sind nicht korrigierbar und gehen als Fehler in das MeßergebnisIn the former solution, it must be assumed that sensor and analog-to-digital converters generally have different nonlinear properties. Precise results assume, however, that both nonlinear data must agree in the opposite way. Deviations can not be corrected and are taken as errors in the measurement result

Der hohe Zeitaufwand bei der zweitbeschriebenen Losung hat seine Ursache in der Anwendung von Baugruppen der Mikrorechentechnik und erklart sich aus der Notwendigkeit, das analoge Meßsignal erst zu digitalisieren, dann rechentechnisch zu korrigieren und schließlich den erhaltenen digitalen Wert wiedei zu analogisieren Diese Tatsache erklart auch die Nichtanwendbarkeit bei nichtai'asistatischen MeßvorgangenThe high expenditure of time in the second-described solution has its cause in the application of assemblies of microcomputer technology and explains the need to first digitize the analog measurement signal, then to correct computationally and finally to analogize the obtained digital value wiedei This fact also explains the inapplicability in nichtai'asistatischen measuring procedures

Um diesg.Ursachen zu vermeidet, hegtder Erfindung a.e Aufgabe zu Grunde, eingSchaltungsanordnung zur Kompensierung der Nichtlineantat langfristig stabiler Kennlinien von Sensoren zur elektrischen Messung nichtelektrischer Großen zu entwickeln, die ohne Anwendung von Analog Digital-Umsetzern und/oder rechentechnischer Einrichtungen eine schnelle und hochprazise Kompensierung der Nichtlineantat von Sensorkennlmien sowohl bei quasistatischen als auch bei nichtquasistatischen Meßvorgangen gestattetTo avoid these causes, the invention has the object of developing a circuit arrangement for compensating the nonlinearity of long-term stable characteristics of sensors for electrical measurement of non-electrical magnitudes, which without the use of analog-to-digital converters and / or computational devices provides fast and highly accurate compensation the nonlinearity of sensor characteristics is permitted in quasistatic as well as non-quasi-static measurement procedures

Diese Aufgabe wird dadurch gelost daß dem Gegen^opplungswiderstand eines bekannten, am Meßsignal eines Sensors anliegenden Inverters die Senenschaltung eines Operationsverstärkers, einer Schaltdiode und eines weiteren Widerstandes gegenläufig parallelgeschaltet ist, wobei der Ausgang der Schaltdiode mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist In emer Variante der erfindungsgemaßen Losung ist der Eingang der Schaltdiode mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbundenThis object is achieved in that the Gegen ^ opplungswiderstand a known, applied to the measuring signal of a sensor inverter, the Senenschaltung an operational amplifier, a switching diode and another resistor is connected in parallel in opposite directions, wherein the output of the switching diode is connected to the inverting input of the operational amplifier In emer variant According to the invention, the input of the switching diode is connected to the inverting input of the operational amplifier

In einer weiteren Ausgestaltung der erfmdungsgemaßen Losung ist der erstgenannten Schaltungsanordnung eine zweite, abgewandelte gleichartige vorgeschaltet, wobei die Abwandlung dann besteht, daß der Ausgang eines an einer stabilen Spannungsquelle anl legenden Einstellpotentiometers u bereinen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des zum Inverter gehörenden Operationsverstärkers verbunden ist und daß der Ausgang des Widerstandes der gegenläufigen Senenschaltung an den invertierenden Eingang des zum Inverter der ersten Schaltungsanordnung gehörenden Operationsverstärkers angeschlossen istIn a further embodiment of the erfmdungsgemaßen solution of the former circuit arrangement is a second, modified similar upstream, wherein the modification then consists in that the output of an anl to a stable voltage source legend setting potentiometer u bereinen resistor to the inverting input of the inverter belonging to the operational amplifier is connected and in that the output of the resistor of the counter-rotating circuit is connected to the inverting input of the operational amplifier belonging to the inverter of the first circuit arrangement

Erforderlichenfalls lassen sich mehrere der abgewandelten Schaltungsanordnungen mit einer einzigen ersten Schaltungsanordnung auf gleiche Weise zusammenfügen.If necessary, several of the modified circuit arrangements can be assembled in the same way with a single first circuit arrangement.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Lösung wird in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The function of the solution according to the invention is explained in more detail in an embodiment.

Ausführungsbeispielembodiment

In der zugehörigen Zeichnung zeigenIn the accompanying drawing show

Fig. 1: das Schaltbild einer erfindungsgemäßen SchaltungsanordnungFig. 1: the circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention

Fig. 2: die Darstellung eines unkorrigierten, eines im " + "-Bereich des Ausgangssignals korrigierten und eines im "-"-Bereich des Ausgangssignals korrigierten Ausgangssignals2 shows the representation of an uncorrected output signal corrected in the "+" range of the output signal and corrected in the "-" range of the output signal

Fig. 3: das Schaltbild einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung nach Fig. 1 Fig. 4: eine das Übertragungsverhalten eines Meßverstärkers darstellende Korrekturkurve mit zwei Knickpunkten Nach Fig. 1 wird das Meßsignal 1 eines Sensors (nicht dargestellt) einem Inverter 2 zugeführt. Dieser besitzt einen Operationsverstärker 2.1, dessen nichtinvertierender Eingang an Masse liegt und dessen Ausgang über einen Gegenkopplungswiderstand 2.2 mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, zu dem gleichzeitig die Ausgangsleitung eines an dem Meßsignal 1 anliegenden Vorwiderstandes 2.3 führt. Der Ausgang des Inverters 2 steht in Verbindung mit dem nichtinvertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 4, dessen Ausgang über eine Schaltdiode 5 und einen Widerstand 6 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2.1 verbunden ist. Von der Verbindungsleitung zwischen der Schaltdiode 5 und dem Widerstand 6 führt ein Abzweig zum invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 4Fig. 3: the circuit diagram of an embodiment of the inventive solution according to Fig. 1 Fig. 4: a transmission behavior of a measuring amplifier performing correction curve with two break points According to Fig. 1, the measuring signal 1 of a sensor (not shown) to an inverter 2 is supplied. This has an operational amplifier 2.1 whose non-inverting input is connected to ground and whose output is connected via a negative feedback resistor 2.2 with its inverting input to which simultaneously leads the output line of a voltage applied to the measuring signal 1 series resistor 2.3. The output of the inverter 2 is connected to the non-inverting input of a second operational amplifier 4 whose output is connected via a switching diode 5 and a resistor 6 to the inverting input of the operational amplifier 2.1. From the connecting line between the switching diode 5 and the resistor 6, a branch leads to the inverting input of the second operational amplifier 4th

Die Funktion ist wie folgt. The function is as follows.

Das Meßsignal 1 wird in dem Inverter 2 verstärkt. Das Ausgangssignal 3 des Inverters 2 wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2.1 über den zweiten Operationsverstärker 4, die Schaltdiode 5 und den Widerstand 6 wieder zugeführt. Bewegt sich das Ausgangssignal 3 im positiven Bereich, so arbeitet der Operationsverstärker 4 gemeinsam mit der Schaltdiode 5aisSpannungsfoiger, d.h., am Ausgang der Schaltdiode 5 steilt sich eine Spannung ein, die dem Ausgangssignal 3 entspricht. Dann wirkt als Gegenkopplungswiderstand im Inverter 2 die Parallelschaltung des Widerstandes 6 mit dem Gegenkopplungswiderstand 2.2.The measuring signal 1 is amplified in the inverter 2. The output signal 3 of the inverter 2 is supplied to the inverting input of the operational amplifier 2.1 via the second operational amplifier 4, the switching diode 5 and the resistor 6 again. If the output signal 3 moves in the positive range, the operational amplifier 4 operates together with the switching diode 5aisSpannungsfoiger, that is, at the output of the switching diode 5, a voltage sets in, which corresponds to the output signal 3. Then acts as a negative feedback resistor in the inverter 2, the parallel connection of the resistor 6 with the negative feedback resistor 2.2.

Bewegt sich das Ausgangssignal 3 im negativen Bereich, so sperrt die Schaltdiode 5 und an ihrem Ausgang steht eine Nullspannung an, so daß der Gegenkopplungswiderstand 2.2 allein wirksam ist.If the output signal 3 moves in the negative range, then the switching diode 5 blocks and at its output is at a zero voltage, so that the negative feedback resistor 2.2 alone is effective.

Wird die Schaltdiode 5 in ihrer Wirkungsrichtung vertauscht, dann arbeitet der Operationsverstärker 4 gemeinsam mit der Schaltdiode 5 im negativen Bereich des Ausgangssignals 3 als Spannungsfolger und schaltet damit den Widerstand 6 parallel zum Gegenkopplungswiderstand 2.2. Die Schaltdiode 5 sperrt dann im positiven Bereich des Ausgangssignals 3. Mit dieser Anordnung ist eine Knickung der das Übertragungsverhalten des Meßverstärkers darstellenden Kurve im Nulldurchgang des Meßsignals 1 (s.Fig.2) und damit eine Anpassung an die Nichtlinearität der Kennlinie des Sensors möglich. Dabei ist die Richtung der Knickung von der Polarität der Schaltdiode 5 und die Stärke der Knickung vom Verhältnis der Größe des Widerstandes 6 zur Größe des Gegenkopplungswiderstandes 2.2 abhängig.If the switching diode 5 is reversed in its direction of action, then the operational amplifier 4 works together with the switching diode 5 in the negative region of the output signal 3 as a voltage follower and thus switches the resistor 6 in parallel to the negative feedback 2.2. The switching diode 5 then blocks in the positive region of the output signal 3. With this arrangement, a buckling of the transmission behavior of the sense amplifier representing curve in the zero crossing of the measuring signal 1 (s.Fig.2) and thus an adaptation to the non-linearity of the characteristic of the sensor possible. The direction of the buckling of the polarity of the switching diode 5 and the strength of the buckling of the ratio of the size of the resistor 6 to the size of the negative feedback resistor 2.2 is dependent.

Ais Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung zeigt Fig.3 eine erste Schaltungsanordnung nach Fig. 1, der eine zweite, variierte gleichartige vorgeschaltet ist. Die Variation besteht darin, daß der Ausgang eines an einer stabilen Spannungsquelle (nicht dargestellt) anliegenden Einstellpotentiometers 7 über einen Widerstand 8 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2.1 der zweiten Schaltungsanordnung verbunden ist und daß der Ausgang des Widerstandes 6 der zweiten Schaltungsanordnung an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2.1 der ersten Schaltungsanordnung angeschlossen ist.As an embodiment of the solution according to the invention, FIG. 3 shows a first circuit arrangement according to FIG. 1, which is preceded by a second, varied, similar one. The variation consists in that the output of a potentiometer 7 connected to a stable voltage source (not shown) is connected via a resistor 8 to the inverting input of the operational amplifier 2.1 of the second circuit and the output of the resistor 6 of the second circuit to the inverting input the operational amplifier 2.1 of the first circuit arrangement is connected.

Damit wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2.1 der ersten Schaltungsanordnung ein zusätzlicher Strom zugeleitet. Dadurch kann der Knickpunkt in der das Übertragungsverhalten des Meßverstärkers darstellenden Kurve durch Vorwahl am Einstellpotentiometer 7 auch außerhalb des Nulldurchganges des Meßsignals 1 gelegt werden. Sind mehrere Knickpunkte erforderlich, so werden mehrere der Schaltungsanordnungen nach dem Beispiel in Fig.3 zusammengeschaltet, wobei sämtliche Ausgänge der Widerstände 6 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2.1 der ersten Schaltungsanordnung verbunden sind.Thus, an additional current is supplied to the inverting input of the operational amplifier 2.1 of the first circuit arrangement. As a result, the break point in the curve representing the transmission behavior of the measuring amplifier can also be set outside the zero crossing of the measuring signal 1 by preselection on the setting potentiometer 7. If several break points are required, several of the circuit arrangements are interconnected according to the example in Figure 3, wherein all outputs of the resistors 6 are connected to the inverting input of the operational amplifier 2.1 of the first circuit arrangement.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil einer schnellen, hochpräzisen Kompensierung der Nichtlinearität langfristig stabiler Kennlinien von Sensoren zur elektrischen Messung nichtelektrischer Größen ohne Anwendung von Analog-Digital-Umsetzern und/oder rechentechnischer Ei η richtung en. Die Lösung ist anwendbar sowohl für quasistatische als auch für nichtquasistatische Meßvorgänge.Compared with the known prior art, the solution according to the invention offers the advantage of fast, high-precision compensation of the nonlinearity of long-term stable characteristics of sensors for the electrical measurement of non-electrical quantities without the use of analog-to-digital converters and / or computational device directions. The solution is applicable for both quasistatic and nonquasistatic measurements.

Claims

Invention claim:

1 circuit arrangement for compensating the Nichtlineantat long-term stable characteristics of sensors for electrical measurement of non-electrical large, characterized in that the negative feedback resistor (2 2) of a known, the measurement signal of a sensor adjacent inverter (2) the Senenschaltung an operational amplifier (4) of known type, a conventional switching diode (5) and another resistor (6) is connected in parallel in opposite directions, wherein the output of the switching diode (5) is connected to the inverting input of the operational amplifier (4)

2 circuit arrangement according to item 1, characterized in that the input of the switching diode (5) to the inverting input of the operational amplifier (4) is connected

3 circuit arrangement for compensating the Nichtlineantat long-term stable characteristics of sensors for electrical measurement of non-electrical large, characterized in that a circuit arrangement according to item 1, a second, modified similar upstream, wherein the output of a conventional, applied to a stable voltage source Einstellpotentiometers (7) via a resistor (8) is connected to the inverting input of the inverter (2) of the second circuit belonging to the operational amplifier (2 1) and the output of the resistor (6) of the counter-rotating circuit of the second circuit to the inverting input of the inverter (2) the circuit arrangement according to item 1 belonging operational amplifier (2 1) is connected

4 circuit arrangement according to item 3, characterized in that a plurality of second, modified circuit arrangements with a single circuit arrangement according to item 1 in the same manner are zusammenfugbar

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