DE102005002403B4

DE102005002403B4 - Schaltungsanordnung zur Auswertung der Messsignale einer metallurgischen Messsonde

Info

Publication number: DE102005002403B4
Application number: DE200510002403
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Thiessen; Jürgen Dipl.-Ing. Heck; Mark Dipl.-Ing. Marczinczyk
Original assignee: Specialty Minerals Michigan Inc
Current assignee: Specialty Minerals Michigan Inc
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-01-20
Also published as: DE102005002403A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Auswertung der Messsignale einer metallurgischen Messsonde mit mindestens einem Thermoelement und mindestens einer galvanischen Zelle, mit einem schnellen mehrkanaliger Sigma Delta Analog Digital Wandler zur Digitalisierung der Signale, und mit passiven Antialiasing Filtern an den Eingängen, da durch gekennzeichnet, dass Schalter (S8–S11) vorgesehen sind, um die passiven Antialiasing Filter während einer Messpause abzuschalten, wodurch eine schnelle Widerstandsabfrage der Eingänge ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Messsignale einer metallurgischen Messsonde mit mindestens einem Thermoelement und mindestens einer galvanischen Zelle, mit einem schnellen mehrkanaligen Sigma Delta Analog Digital Wandler zur Digitalisierung der Signale, und mit passiven Antialiasing Filtern an den Eingängen.

Eine metallurgische Messsonde enthält ein Thermoelement T (1) und eine galvanische Zelle. Das Ersatzschaltbild der galvanischen Zelle besteht aus einer Spannungsquelle EMK und einem temperaturabhängigen Sonden-Innenwiderstand RE = f(T) (1), der im kalten Zustand hochohmig ist. Der Messablauf ist in 2 dargestellt. Nach dem Aufstecken der Sonde, geht der Widerstand RT des Thermoelements auf 0 Ohm (Zeitpunkt t1). Beim Eintauchen der Messsonde in die Schmelze liefert sie eine der Temperatur proportionale Spannung T bis 20mV (ab Zeitpunkt t2) und in der galvanischen Zelle entsteht ab einer bestimmten Temperatur Temk (Zeitpunkt t3 bei ungefähr 700°C) eine elektromotorische Kraft (EMK) in der Größe von +400 bis –400mV. Dabei sinkt gleichzeitig der Wert des Sonden-Innenwiderstandes RE (bei Temk ~ 700°C, RE ~ 30 kOhm) und erreicht im Zeitpunkt t4 den tiefsten Wert von ungefähr 100–300 Ohm. Bei einem Zeitpunkt t5 erreichen die Spannungen T und EMK die Gleichgewichtszustände. In diesem Zustand werden die Werte gehalten. Im Zeitpunkt t6 wird die Sonde aus der Schmelze herausgezogen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Messung ist aber, dass die Sonde in einwandfreiem Zustand vor und während der Messung ist. Dabei kann es vorkommen, dass die Sonde nicht richtig angeschlossen ist oder es sind Adernschlüsse oder Unterbre chungen in den Leitungen vorhanden. Liegt z.B. ein Adernschluss vor, werden 0V gemessen. Dies ist bei der Sonde ein plausibler Wert, da sogar negative Spannungen auftreten können. Es können auch plausible Spannungen auftreten z.B., wenn eine Sondenleitung vom Messgerät abgefallen ist. Da es in solchen Fällen zu Fehlmessungen kommen kann, ist eine Überwachungsschaltung zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit der Sonde erforderlich (Messen des Widerstandes RT des Thermoelements T (1), des Widerstandes RE der galvanischen Zelle und der T und EMK Spannungen). Um Adernschlüsse und Leitungsabfälle sicher feststellen zu können und den Signalablauf zu überwachen, wird neben der Signalmessung auch eine periodische Widerstandsabfrage eingeführt. Es ist eine Schaltung ( DE 41 37 626 A1 ) bekannt, bei der für die Fehlererkennung der Sonde eine Offsetspannung mit einer Potentialleitung der Sonde verbunden wird. Dabei ist die Offsetspannung so gewählt, dass bei ordnungsgemäß angeschlossener Sonde die Ausgangsspannung immer deutlich von Null verschieden aber kleiner als die vorgegebene Schwellenspannung ist.

In einer anderen bekannten Schaltung zum Auswerten von Thermoelement-Messsignalen ( DE 199 34 489 A1 ) ist, zum Erkennen der Funktionsfähigkeit des Thermoelements, ein Schaltkreis zur Beaufschlagung des Thermoelements mit einem Prüfstrom während einer Messtaktpause vorgesehen, der durch die Verwendung eines Widerstandes zusammen mit einer Spannungsquelle und einem Schalter realisiert ist.

Die US 6,049,283 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen von Funktionsfehlern bei einem Gasspürapparat.

Die WO 02/021123 A1 betrifft Verbesserungen an Instrumenten zur Messung des gesamten organischen Kohlenstoffgehalts von Wasser, nämlich der organischen Verunreinigungen, die sich in industriellen Abwässern von beispielsweise der Halblei terindustrie oder der pharmazeutischen Industrie befinden können.

Die Digitalisierung der Messsignale ist vorteilhafterweise mit einem schnellen und präzisen mehrkanaligen Sigma Delta Analog Digital Wandler durchzuführen, denn das ermöglicht es, einfache passive Antialiasing Filter (1, R11–R14 und C1–C6) einzusetzen.

Das verlangsamt aber die Widerstandsabfrage durch große Aufladungszeiten der Kapazitäten der Filter. Um nur eine schnelle Widerstandsabfrage zu gewährleisten, könnten die Antialiasing Filter in der Messtaktpause abgeschaltet werden. Das führt aber zum nächsten Problem, denn die Messsonden können durch lange Leitungen bis zu 100m Länge mit der Auswerteschaltung verbunden sein. Bei einer üblichen Leitungskapazität CL (1) von 100pF/m ergibt sich bei 10–100m schon eine Kapazität von 1–10nF. Während der Widerstandsabfrage bei nicht angeschlossener Messsonde, oder bei angeschlossener Messsonde während der Aufwärmphase in der EMK Leitung, werden die Leitungskapazitäten CL auf das Potential der Versorgungsspannung +5V aufgeladen. In der Messphase werden dann diese Ladungen zu den Ladungen der Kapazitäten C1–C6 addiert, was als Ladungspumpeffekt bezeichnet wird. Das führt im Messtakt zum kontinuierlichen Aufladen der Speicherkapazitäten C1–C6 bis die Versorgungsspannung +5V erreicht ist. Dadurch werden die Eingänge des A/D Wandlers übersteuert.

Bei angeschlossener Messsonde und Leitungsabfall an der Leitung T liegt nur die Spannung EMK an. Das führt dazu, dass bei geschlossenem Schalter S1 (3-Leiter-Technik) Widerstände R1 und R3 parallel geschaltet werden und bei R = R1 = R3 = R4 am Eingang T– des Analog Digital Wandlers eine Spannung von EMK·0,5R/1,5·R = EMK/3 entsteht. Bei maximaler EMK Spannung von 400mV kann am Eingang T– bis 133mV entstehen, was zu einer falschen Interpretation der Eingangssignale führt.

Die Überwachung der Messsonde im kalten Zustand ist somit nicht möglich, da die Eingangsspannungen bei nicht angeschlossener Sonde nicht eindeutig identifizierbar sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine schnelle Schaltungsanordnung zur Auswertung der Messsignale einer metallurgischen Messsonde zu schaffen, welche in der Lage ist, sowohl die Widerstandsabfrage der Sonde schnell durchzuführen, als auch die Spannungen der Sonde zuverlässig und eindeutig zu identifizieren, um die Sonde in das System zu integrieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Schaltungsanordnung der Eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Schalter (S8–S11) vorgesehen sind, um die passiven Antialiasing Filter während einer Messpause abzuschalten, wodurch eine schnelle Widerstandsabfrage der Eingänge ermöglicht wird.

Dadurch wird erreicht, dass die Messsonde Spannungen liefert, die proportional zu der Temperatur und dem Sauerstoffgehalt einer Metallschmelze sind.

Um bei angeschlossener Messsonde und Leitungsabfall an der Leitung T das Entstehen am Eingang T– des Analog Digital Wandlers eines Signals und damit der Verfälschung der Ergebnisse zu vermindern, werden R3 = R4 » R1 = R2 gewählt. Die Spannung am Eingang T– sinkt auf den Wert EMK·R1/R3. Bei EMK = 400mV und R1 = 10 kOhm, R3 = 2MOhm entsteht nur eine Spannung von 400mV·10 kOhm/2MOhm = 2mV.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert; es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung;
2 einen Messablauf; und
3 Taktimpulse zu dem messablauf von 2.
In 1 ist die Schaltungsanordnung dargestellt. Sie besteht aus der Messsonde, die ein Thermoelement T und eine galvanische Zelle enthält.
Die galvanische Zelle besteht aus einer Spannungsquelle EMK und einem temperaturabhängigen Sonden-Innenwiderstand RE = f(T). Die Kontakte 1, 2 und 3 der Messsonde sind durch Leitungswiderstände RL mit Anschlusskontakten 4–7 der Messplatine verbunden. Die Anschlusskontakte 4–7 stehen entsprechend über Widerstände R1–R4 in Verbindung mit der Referenzspannung +UREF eines Analog Digital Wandlers 8. Dadurch ist gewährleistet, dass die Eingangsspannungen sich stets im Arbeitsbereich des Analog Digital Wandlers 8 befinden.
Zur Widerstandsabfrage des Thermoelements T ist der Anschlusskontakt 4 durch einen Schalter S2 und einen Widerstand R5 mit der Versorgungsspannung +5V und der Anschlusskontakt 5 mit dem Eingang RT des Analog Digital Wandlers 8 und durch einen Schalter S3 und einen Widerstand R6 mit der Referenzspannung +UREF verbunden.
Zur Widerstandsabfrage der galvanischen Zelle ist der Anschlusskontakt 7 durch einen Schalter S4 und einen Widerstand R7 mit der Versorgungsspannung +5V und der Anschlusskontakt 6 mit dem Eingang RE des Analog Digital Wandlers 8 und durch einen Schalter S5 und einen Widerstand R8 mit der Referenzspannung +UREF verbunden.
Die Anschlusskontakte 4–7 sind entsprechend durch Schalter S8–S11 und Widerstände R11–R14 mit Eingängen T+, T–, EMK– und EMK+ des Analog Digital Wandlers 8 verbunden. Der Eingang T+ ist mit dem ersten Kontakt eines Kondensators C1 und durch einen Kondensator C2 mit der Referenzspannung +UREF verbunden. Der Eingang T– ist mit dem zweiten Kontakt des Kondensators C1 und durch einen Kondensator C3 mit der Referenzspannung + UREF verbunden.
Der Eingang EMK– ist mit dem ersten Kontakt eines Kondensators C4 und durch einen Kondensator C5 mit der Referenzspannung +UREF verbunden. Der Eingang EMK+ ist mit dem zweiten Kontakt des Kondensators C4 und durch einen Kondensator C6 mit der Referenzspannung +UREF verbunden.
Als Schalter werden CMOS Analog Schalter mit ESD-Schutz eingesetzt. Die Kondensatoren C1–C6 bilden mit den Widerständen R11–R14 passive Antialiasing Filter.
Um die Leitungskapazitäten CL vor dem Messtakt zu entladen, sind zwischen den Anschlusskontakten 4 und 5 ein Schalter S6 mit Widerstand R9 und zwischen den Anschlusskontakten 6 und 7 ein Schalter S7 mit Widerstand R10 eingeführt.
Der Temperatursensor, der mit den Anschlusskontakten 4 und 5 eng gekoppelt ist, liefert eine Spannung, die am Eingang TKLT des Analog Digital Wandlers 8 liegt.
Die Messung läuft in 4 Takten ab (3). In den ersten zwei Takten erfolgt die Widerstandsabfrage. Dabei werden die Schalter S2–S5 durchgeschaltet. Die Messsignale RT und RE werden entsprechend den Widerstandsteilen R5-RT-R6 und R7-RE-R8 entnommen.
Im dritten Takt nach der Widerstandsabfrage werden die Schalter S2–S5 offengeschaltet und Schalter S6–S7 durchgeschaltet. Dabei entladen sich die Leitungskapazitäten durch die klein gewählten Widerstände R9, R10.
Im vierten Takt werden die Schalter S6, S7 offengeschaltet und Schalter S8–S11 durchgeschaltet. Es erfolgt die Messphase. Da die Spannungen auf CL praktisch auf Null sind, erfolgt keine Aufladung mehr.
Nach dem Messtakt werden die Schalter S8–S11 offengeschaltet und es folgt wieder der 1. Takt der Widerstandsabfrage.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen erlauben dadurch:

1. Den Signalablauf vor und während der Messung zu überwachen.
2. Eine Überwachung der Messsonde auch im kalten Zustand, um Fehler zu detektieren.
3. Die Messung mit größeren Abtastraten durchzuführen.

Claims

Schaltungsanordnung zur Auswertung der Messsignale einer metallurgischen Messsonde mit mindestens einem Thermoelement und mindestens einer galvanischen Zelle, mit einem schnellen mehrkanaliger Sigma Delta Analog Digital Wandler zur Digitalisierung der Signale, und mit passiven Antialiasing Filtern an den Eingängen, da durch gekennzeichnet, dass Schalter (S8–S11) vorgesehen sind, um die passiven Antialiasing Filter während einer Messpause abzuschalten, wodurch eine schnelle Widerstandsabfrage der Eingänge ermöglicht wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstände (R9, R10) vorgesehen sind, die in der Messpause durch Schalter (S6, S7) parallel zu Leitungskapazitäten CL geschaltet werden, wodurch die Leitungskapazitäten CL entladen werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Widerstände (R1 und R2) vorgesehen sind, wobei über jeweils einen der Widerstände ein Anschlusskontakt des Thermoelementes mit einer Referenzspannung (+UREF) verbunden ist, und dass weiterhin zwei Widerstände (R3 und R4) vorgesehen sind, wobei über jeweils einen der Widerstände ein Anschlusskontakt der galvanischen Zelle mit einer Referenzspannung (+UREF) verbunden ist und die Widerstände die Bedingung R3 = R4 » R1 = R2 erfüllen.