DD300203A7

DD300203A7 - Single-channel temperature measuring and transmission circuit, in particular with optical waveguides

Info

Publication number: DD300203A7
Application number: DD31920988A
Authority: DD
Inventors: Georg Ranft; Thomas Klickermann; Lutz Krausse
Original assignee: Radebeul Rapido Waegetechnik
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1988-08-26
Publication date: 1992-05-27
Also published as: CH679885A5; DE3915835A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronikschaltung, die Widerstandsproportionale optische Signale zur UEbertragung auf einem Lichtwellenleiter mit hoher Genauigkeit bildet, ohne dasz ein groszer Aufwand an Bauelementen notwendig ist. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe mit einem Meszwiderstand in Vierleiterschaltung, einem angeschlossenen Differenzverstaerker und einem nachfolgenden Spannungs-Frequenzwandler so geloest, dasz sich der Meszwiderstand im Strompfad fuer die Erzeugung der Ruecksetzladung befindet und der Ausgang des Spannungs-Frequenzwandlers ueber eine, durch Frequenzteiler gesteuerte UND-Verknuepfung an eine Ausgangsstufe angeschlossen ist. Die Genauigkeit der Stromquelle und des Oszillators des in dieser neuen Schaltungsanordnung benutzten Spannungs-Frequenzwandlers haben keinen Einflusz auf die Anzahl der gesendeten Impulse. Durch die Anordnung eines Kurzschluszschalters und eines Abtast- und Haltegliedes werden Fehler durch Offset-, Drift- und Gleichtaktspannungen vermieden.{Temperaturmeszschaltung; Meszwiderstand; Spannungs-Frequenzwandler; Lichtwellenleiter; optische Meszwertuebertragung; Widerstandsthermometer; automatische Drift- und Offsetkompensation}The invention relates to an electronic circuit which forms resistance-proportional optical signals for transmission on an optical waveguide with high accuracy, without requiring a great amount of components. Erfindungsgemaesz the object is achieved with a measuring resistance in four-wire circuit, a connected Differenzverstaerker and a subsequent voltage-frequency converter so that the measuring resistance is in the current path for the generation of the reset charge and the output of the voltage-frequency converter via a controlled by frequency divider AND-combination connected to an output stage. The accuracy of the current source and the oscillator of the voltage-frequency converter used in this new circuit arrangement have no influence on the number of pulses sent. The arrangement of a short-circuiting switch and a sample and hold element avoids errors due to offset, drift and common-mode voltages. Meszwiderstand; Voltage-frequency converter; Optical fiber; optical transmission of meszwertuebertragung; RTD; automatic drift and offset compensation}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Scope of the invention

Die Erfindung betrifft eine einkanaligeTemperaturmeß- und Übertragungsschaltung, insbesondere mit Lichtwellenleitern 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 dan Einsatz geeigneter anderer resistiver Wandler auch die genaue Bestimmung anderer technisch-physikalischer Größen möglich.The invention relates to a single-channel temperature measuring and transmission circuit, in particular with optical waveguides using known assemblies. It is applicable wherever temperatures are accurately measured with resistance thermometers and a single-channel measured value transmission in digital form to a receiving station is to take place. Areas of application are in process and automation technology. In addition, the use of suitable other resistive transducers also permits the exact determination of other technical-physical quantities.

Characteristic of the known state of the art

Zur Erzielung höchster Genauigkeiten bei der Temp> dturmessung ist zum Beispiel nach DD-PS 205524 oder DE-OS 3321862 bekannt, den Spannungsabfall des Meßwiderstandes und eines Referenzwiderstandes, die beide mit demselben Strom gespeist werden, abwechselnd einer A/D-Wandlung zuzuführen, mit rechentechnischon 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-Wandlur,g beseitigt.To achieve the highest accuracy in temperature measurement, it is known from DD-PS 205524 or DE-OS 3321862, for example, to alternately supply the voltage drop of the measuring resistor and a reference resistor, both of which are supplied with the same current, to an A / D conversion computationally means from both measured values to calculate the temperature value and bring to the display. This highly accurate comparison method eliminates the drift and offset effects of any necessary gain and the A / D conversion.

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 sinnvoll.For the intended measured value transmission, this method is unfavorable, since to determine the temperature of the measurement and reference value would have to be transmitted, a distinction between the two values must be made and a Meßstellenumschalter with control is necessary. A direct measuring method with the best possible conversion is technically meaningful for this application.

In der DE-OS 3639558 ist eine Einrichtung zur Messung von Temperaturen beschrieben, bei der eine temperaturabhängige Brückenausgangsspannung nach Verstärkung und A/D-Wandlung direkt ausgewertet wird. Zu/ 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-Wandler die Differenz aus der verstärkten Offsetspannung und dem verstärkten offsetspannungsbehafteten 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 Strombeziehungsweise 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.In DE-OS 3639558 a device for measuring temperatures is described in which a temperature-dependent bridge output voltage for amplification and A / D conversion is evaluated directly. To switch off the errors due to fluctuations in the supply voltage, the temperature-dependent resistor is arranged in a bridge circuit, and to avoid the drift and offset error, the difference between the amplified offset voltage and the amplified offset voltage-sensitive measured value is offered to the A / D converter. For this purpose, a differential amplifier and a memory circuit, which is controlled by three switches, available. The disadvantage here is the high circuit complexity for error reduction by in particular the bridge circuit and the additional differential amplifier. The stabilizing effect of the bridge circuit also works only in a very limited Temperaturmeßbereich. For the A / D conversion, various methods are used in the cited patents. For the intended applications, because of the need for a measurement transmission, only those A / D conversion methods can be used which provide a continuous signal proportional to the input. Such current or voltage frequency converters are known, for example, from "radio television elektronik" 26 (1977) H. 15, p 507. The disadvantage here is the time-dependent output signal, which necessitates synchronization with the receiving station.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfache integrationsfählgo Elektronikschultung anzugeben, die unter Umgehung der vorgenannten Nachteile ähnlicher Anordnungen widerstandsproportionale elektrische oder optische Signale zuverlässig bildet, ohne daß ein hoher Aufwand an Bauelementen notwendig ist.The object of the invention is to provide a simple electronics integration training which, bypassing the aforementioned disadvantages of similar arrangements, reliably forms resistance-proportional electrical or optical signals, without the need for a high expenditure on components.

Explanation of the essence of the invention The invention is based on the object, a simple Temperaturmeß- and transmission circuit, in particular with To provide optical waveguides, with the use of known per se a single-channel measured value transmission

in digitaler Form zu oiner Empfangsstation möglich sein soll.should be possible in digital form to a receiving station.

According to the invention, the object with a measuring resistor in four-wire circuit, a connected Differential amplifier and a subsequent voltage-frequency converter solved so that the measuring resistor in Current path for generating the reset charge is located. The output of the voltage-to-frequency converter is connected via an AND to an output stage, the

vorzugsweise einen optischen Sender enthält. Die weiteren Eingänge der UND-Verknüpfung sind über Frequenzteiler undpreferably includes an optical transmitter. The other inputs of the AND operation are via frequency divider and

Delay gate connected to the internal oscillator of the converter. The frequency divider are constructed so that a

definiertes Sende-Pause-Verhältnis entsteht.defined transmission-pause ratio arises.

The advantage of the invention is that the accuracy of the current source and the oscillator in this new Circuit arrangement used voltage-frequency converter have no effect on the number of transmitted pulses. The elimination of precision components significantly reduces the material, space and cost. An advantageous improvement undergoes this solution by the arrangement of a short-circuit switch between the Voltage taps and a sample and hold member between the input and reference voltage terminal of Voltage-frequency converter. The control connections of both elements are via an AND-connection so with the Frequency dividers connected, that only in the second third of the transmission break the short circuit switch closed and Abtestbetrieb

eingeschaltet ist. Diese erweiterte Anordnung gestattet zusätzlich die automatische Kompensation des Offset-, Drift- undis turned on. This extended arrangement also allows the automatic compensation of the offset, drift and

Common mode voltage influence. The circuit as a whole is constructed so that the essential parts of the arrangement in an integrated circuit unit

zusammengefaßt werden können.can be summarized.

AusfQhrungsbelsplel

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-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.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The accompanying drawing shows a block circuit of Temperaturmeß- and transmission circuit. It contains as main component a known voltage-frequency converter 1, which works according to the integration method with charge quantity compensation in the single-threshold process (charge balancing). It is preceded by a differential amplifier 2, which is connected with its inputs to the voltage taps of the measuring resistor 3. The measuring resistor 3 is in the current path for generating the reset charge between operating voltage 7 and power source terminal. 4

Dem Differenzverstärker 1 können zur Erhöhung seiner Eingangswiderstände noch zwei Impedanzwandler vorangeschaltet werden oder er kann auch als Instrumentationsverstärker ausgeführt sein. Der Ausgang 3 des Wandlers 1 ist über eine UND-Verknüpfung 12 mit der Ausgangsstufe 14, vorzugsweise ein optischer Sonder, verbundan. 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 Oszillatoranschluß 8 angeschlossen. Weiter ist ein Kurzschlußschalter 15 zwischen den Spaniungsabgriffen und ein Abtast- und Halteglied 16 zwischen dem Eingangs- 6 und Bezugsspannungsanschluß 5 des Spannungs-Frequenzwandlers 1 angeordnet.The differential amplifier 1 can be preceded to increase its input resistors two impedance converter or it can also be designed as a instrumentation amplifier. The output 3 of the converter 1 is connected via an AND gate 12 to the output stage 14, preferably an optical special, verbundan. The other three inputs of the AND gate 12 are connected via two delay gates 13, a first frequency divider 10 with selectable division ratio and the first and a second frequency divider 11 with 2: 1 division to the oscillator terminal 8. Further, a short circuit switch 15 between the Spaniungsabgriffen and a sample and hold member 16 between the input 6 and reference voltage terminal 5 of the voltage-frequency converter 1 is arranged.

Die StPuereingänge dieser beiden Elemente sind gemeinsam über eine UND-Verknüpiung 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 Vierleitorschaltung wird mit dem Differenzverstärker 2 ''"-"tarkt und dem Spannungs-Frequenzwandier 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 Komparator, wird dem Integratoreingang eine konstante Rücksetzladung zugeführt. Dies erfolgt so, daß während der durch den internen C zillator 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 sicii Änderungen des Integrationskondensators C, Drift der Komparatorschwelle, Schaltzeiten des Komparator? 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 Ausgangsfrec,uenz in eine von der Empfangsstation auswertbare zeitunabhängige Impulszahl ist die UND-Verkm pfung 12 vorhanden, dia über die Frequenzteiler 10,11 vom internen Oszillator des Wandlers 1 gesteuert wird. Durch diese Verknüpfung hat wiedarum die Stabilität des internen Oszillators keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Es brauchen keine Präzisionsbauelemente eingesetzt zu werden. Das Ausgangssignal ist duich die Anordnung und Dimensionierung der Frequenzteiler 10,11 so aufgebaut, daß ein Sende-Pause-Verheltnis von 1:3 entsteht. Die Sendepause ist notwendig, damit der angeschlossene Auswerterechner die Impulszahl ohne zusätzliche Synchronisation empfangen und verarbeiten kann. Die Verzögerungsgatter bewirken eine Verkürzung der Sendeimpulse zur Reduzierung des Leistungsbedarfs.The StPuereingänge these two elements are connected together via an AND gate 17 with the first 10 and negated output of the second frequency divider 11. The arrangement operates as follows: The voltage drop of the supplied with constant current measuring resistor 3 in Vierleitorschaltung with the differential amplifier 2 '' "-" tarts and the voltage-Frequenzwandier 1 fed. In it, the resistance-proportional input voltage is converted into a frequency. Within the converter 1, the resistance R determines the magnitude of the input current of the integrator. When its output voltage reaches the switching threshold of the comparator, a constant reset charge is applied to the integrator input. This is done so that a constant reset current is fed during the reset time set by the internal cillator. Since the reset current used is also the current with which the measuring resistor 3 is fed, errors due to current changes compensate each other. For the stability of the power source therefore no high demands to be made. In such a charge-balancing converter sicii act changes of the integration capacitor C, drift of the comparator threshold, switching times of the comparator? and within certain limits, linearity errors and delay times of the integrator do not affect the transducer characteristic, if these quantities remain constant over an integration process. That's the big advantage of the proposed circuit. In order to convert the output frequency into a time-independent pulse number that can be evaluated by the receiving station, the AND circuit 12 is present, which is controlled by the internal oscillator of the converter 1 via the frequency dividers 10, 11. As a result of this combination, the stability of the internal oscillator has no influence on the measurement result. There is no need to use precision components. The output signal is the arrangement and dimensioning of the frequency divider 10,11 designed so that a transmission-pause ratio of 1: 3 is formed. The transmission pause is necessary so that the connected evaluation computer can receive and process the number of pulses without additional synchronization. The delay gates cause a shortening of the transmission pulses to reduce the power consumption.

Als Ausgangsstufe 14 arbeitet eine Infrarot-LED mit Lichtwellenleiteranschluß. Die Ausgangsfrequenz f. der Schaltung berechnet sich zuAs the output stage 14 operates an infrared LED with fiber optic connection. The output frequency f. the circuit is calculated too

, . V · R_x · f.V · R _x · f.

und die gesendete Impulszahl z,and the transmitted pulse number z,

f. · z, _ V · R, · z, " f. Rf. · Z, V · R, · z, "f. R

Zi 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 Ί5 und Umschaltung auf Haltebetrieb wirkt am Eingang des Integrators die Differenz zwischen gespeichertem Offsetspannungswert und offsetspannungsbehafteten Meßwert. Durch diese Anordnung arbeitet der Differenzverstärker mit einem automatischen Nullpunktabgleich, durch den die Einflüsse der Offset-, 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.Zi is the maximum possible number of pulses during transmission time determined by the frequency divider ratio. For a constant independent of the ambient temperature gain V smallest offset and drift values of the differential amplifier 2 are necessary. Such components are very expensive and difficult to obtain. Therefore, in the second third of the transmission break the measuring resistor 3 is short-circuited with the switch 15 and the output voltage of the differential amplifier 2, which now results from the amplified offset voltage, a sample and hold member 16, which is in the sampling mode supplied. After opening switch Ί5 and switching to hold mode, the difference between the stored offset voltage value and the offset voltage-affected measured value acts at the input of the integrator. By virtue of this arrangement, the differential amplifier operates with an automatic zero balance, by which the influences of the offset, drift and common-mode voltage disappear. With a sufficiently large gain V, the remaining drift and offset voltage of the integrator in the converter 1 is negligible. For the switch 15, a mechanical switching contact with a relation to the measuring resistor 3 negligible contact resistance is used. The accuracy of the entire arrangement is thus influenced only by the differential amplification and the resistance R. The differential amplification can be adjusted with two resistors, so that a total of only three components, a higher precision is required.

Claims

1. One-channel Temporaturmeß- and Übertragungsschalu ^ g, "in particular with optical waveguides, consisting of a measuring resistor in Vierleiterschaltur j with a connected to the voltage taps differential amplifier and subsequent voltage-frequency converter with charge quantity compensation, a Kurzschlußtohalter, a sample and hold element, frequency dividers, an output stage and other logic elements, characterized in that the measuring resistor (3) at the power source terminal (4) of the voltage-frequency converter (1), the short-circuit switch (15) between the voltage taps of the measuring resistor (3) and the sample and hold member (16) between the Input (6) and reference voltage terminal (5) of the voltage-frequency converter (1) are arranged, the output (9) of the voltage Frofallswandlers (1) via an AND gate (12) to the output stage (14) is connected, the other three inputs of the AND operation (12) once via delay gates ( 13), once via a first frequency divider (10) mitwählbarem division ratio and once via a second frequency divider (11) with 2: 1 division and the first frequency divider (10) to the oscillator terminal (8) of the converter (1) are laid and that from the output of the first frequency divider (10) and the negated output of the second frequency divider (11) in the further AND operation (17) combined common control connection for the short circuit switch (15) and the sample and hold member (16) is present.

2. Temperature measuring circuit according to claim 1, characterized in that the voltage-frequency converter (1), the differential amplifier (2), the frequency divider (10,11), the delay gates (13) and the AND gates (12,17) in one integrated circuit unit are summarized.