DE102011015383A1

DE102011015383A1 - Messbrückenschaltung

Info

Publication number: DE102011015383A1
Application number: DE201110015383
Authority: DE
Inventors: Eckart Hiss; Stefan Michelsen; Heinz Oostendorp
Original assignee: Sensorentechnologie Gettorf GmbH
Current assignee: Sensorentechnologie Gettorf GmbH
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-10-06

Abstract

Messbrückenschaltung, mit einer Mehrzahl von zwei parallele Spannungsteiler bildenden Widerständen (2, 8; 3, 9) und einem zwischen den ersten der beiden die Spannungsteiler bildenden Widerstände (8, 9) liegenden Abgleichelement zum Einstellen der Brückenquerspannung, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgleichelement als ein mit wenigstens zwei Analogausgängen (DA2, DA3) versehener Mikrocontroller (14) ausgebildet ist, wobei der eine Analogausgang (DA2) den einen der ersten Widerstände (8) und der zweite Analogausgang (DA3) den anderen der ersten Widerstände (9) zur Einstellung der Brückenspannung mit einer Spannung beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messbrückenschaltung insbesondere zur Anwendung bei Anordnungen, die mit Hilfe einer Wärmeübergangsmessung den Wärmeübergang eines mit einem Medium in wärmeleitenden Kontakt gebrachten Heizelementes elektrisch erfassen. Auf die DE 32 13 902 , DE 35 14 491 , DE 41 29 454 wird hingewiesen. Bei solchen Strömungswächtern werden im Prinzip immer zwei Temperaturmesswiderstände als Sensoren eingesetzt, wobei der erste Temperaturmesswiderstand die Mediumtemperatur und der zweite Temperaturmesswiderstand eine Summationstemperatur misst, die sich durch eine zusätzliche Beheizung mit einem elektrischen Heizwiderstand und der Mediumtemperatur ergibt.
Den bekannten Ausbildungen ist gemeinsam, dass von den vier Messwiderständen einer Wheatstone-Brücke mindestens ein Widerstand kein Temperaturmesswiderstand ist, sondern ein temperaturunabhängiger Widerstand. Auch ist allen Anordnungen gemeinsam, dass mindestens ein Brückenwiderstand nicht in der Mediumumgebung, sondern getrennt von diesem in dem elektronischen Messwertverarbeitungssystem untergebracht ist. Durch die Verwendung nicht gleichartiger Widerstände und gleichzeitig einer unterschiedlichen Mediums- oder Temperaturumgebung der einzelnen Widerstände ergeben sich für die Diagonalbrückenspannung der Messbrücke elektrische Fehlspannungen, die weder der Mediumtemperatur oder der Mediumströmung zugeordnet werden können, d. h. die Symmetrie der Brücke wird durch sich ungleichartig verhaltende Messwiderstände in den einzelnen Brückenzweigen gestört.
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Messbrückenschaltung anzugeben, die die genannten Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung an.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
1 die beispielhafte Anordnung der Messwiderstände in einem Gehäuse, und
2 ein Ausführungsbeispiel der erfinderischen Schaltungsaufbaus.
In 1 ist ein Temperaturmesswiderstand 2 ist mit den Heizwiderständen 1 und der Wandung des Sensorgehäuses 27 thermische gekoppelt. Ein nicht-beheizter Temperaturmesswiderstand 3 ist nur mit der Wandung des Sensorgehäuses 27 thermisch gekoppelt. Die Funktion der Strömungserkennung beruht auf dem Effekt, dass ein an dem Sensorgehäuse entlang fließendes Medium die von den Heizwiderständen 1 an die Wandung abgegebene Wärme aufnimmt und abführt, wodurch sich die Temperatur an diesem Ort und dem dort platzierten Messwiderstand 2 reduziert. Die Menge der abgeführten Wärme wird durch die Geschwindigkeit und die Stoffeigenschaften des fließenden Mediums bestimmt. Es kann sich bei dem zu messenden Medium um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Der nicht-beheizte Messwiderstand, nimmt durch die Wandung des Sensorgehäuses 27 hindurch die Temperatur des fließenden Mediums auf. Als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit wird die Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Messwiderstand 2 und dem nicht-beheizten Messwiderstand 3 verwendet.
Um ein möglichst großes elektrisches Signal zu erhalten werden die Messwiderstände in Form einer Wheatstoneschen Messbrücke in bekannter Weise zusammengeschaltet. Eine solche Messbrücke besteht zumeist aus vier Widerständen von denen mindestens ein Widerstand mit einer Werteveränderung auf Veränderung der Umgebungsbedingungen reagiert. Üblicherweise enthalten diese Messbrückenschaltungen ein Potentiometer, dessen Funktion es ist, eine Symmetrierung der Brückenzweige, bestehend aus den Messwiderständen, herbeizuführen und so die Brückendifferenzspannung auf Null abzustimmen. Ein solches Potentiometer weist in der Regel im Verhältnis zu den eng tolerierten Präzisionswiderständen in der Messbrücke, einen hohen Temperaturgradienten auf, ist mechanisch nicht belastbar und wird überwiegend manuell betätigt. Um dieses Bauteil funktionell zu ersetzen, ist ein Messwertverarbeitungssystem eingesetzt, das über eine hochauflösende Messwertaufnahme und -ausgabe verfügt, sowie auch diese Daten mit einer sehr hohen Genauigkeit verarbeitet.
2 zeigt im umrandeten Feld 15 die Messwiderstände 1, 2 und 3 einer solchen Messbrückenschaltung. Die Messwiderstände 2, 3 sind temperaturabhängige Widerstände, die in einem Gehäuse fixiert sind und über eine thermoleitende Verbindung mit der Sensorwandung in Kontakt stehen. Der Heizwiderstand 1 besitzt im Gegensatz zu den Messwiderständen (2, 3) nur einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten, der vernachlässigbar ist, sein Widerstandswert kann daher als konstant angesehen werden. Die Anschlussleitung jeder dieser Messwiderstände (1, 2, 3), sowie eine gemeinsame Anschlussleitung, sind über eine mehradrige Verbindungsleitung mit mehreren Widerstandsnetzwerken, die sich zusammen mit einem Mikrocontroller 14 im umrandeten Schaltungsblock 16 befinden, verbunden. Der Heizwiderstand 1 ist an das Widerstandsnetzwerk, bestehend aus ersten Widerstanden 6, 7, 11, der Messwiderstand 2 an dem Widerstandsnetzwerk bestehend aus zweiten Widerstanden 5, 8, 12 und der Messwiderstand 3 an dem Widerstandsnetzwerk bestehend aus den Widerständen 4, 9, 13 angeschlossen. Die Widerstände 7, 8, 9 sind über digital steuerbare Schalter 19, 18, 17 mit Analogausgängen DA1, DA2, DA3 des Mikrocontrollers 14 verbunden, die mit einer hohen Auflösung eine analoge Spannung ausgeben. Die der Symmetrierung der Analogeingänge des Mikrocontrollers 14 dienenden Widerstände 11, 12, 13, 24, 25 und 26 dienen und sind gegenüber den Widerständen 1, 7 und 2, 8 und 3, 9 sehr groß.
Die Widerstände 11, 12, 13, 24, 25, 26 sind mit hochauflösenden Analogeingängen AD1, AD2, AD3, AD4, AD5, AD6 des Mikrocontrollers 14 verbunden, der einen anliegenden analogen Spannungswert in digitale Daten umwandelt. Die Auflösung jedes einzelnen Analog-Digital-Umwandlers ist sehr hoch. Das jeweils mit einem Ende der Widerstände 1, 2, 3 verbundene Ende der Widerstände 4, 5, 6 ist mit den Widerständen 11, 12, 13 verbunden. Der mit dem gemeinsamen Leiter der Widerstände 1, 2, 3 verbundene Widerstand 10 ist mit dem Masseeingang des Mikrocontrollers verbunden. Die Widerstände 4, 5, 6, 10 sind Präzisionswiderstände und besitzen einen Widerstandswert, der sehr klein ist gegenüber den Widerständen 1, 7 und 2, 8 und 3, 9. Die Widerstände 7, 8, 9 entsprechen bei definierten Umgebungsbedingungen den Widerstandswerten von 1, 2, 3.
Der Mikrokontroller 14 kann Funktionsbefehle zur Steuerung der A/D bzw. D/A-Umwandler aus einem implementierten Programm umsetzen. Er steuert außerdem über die Ausgänge A1, A2, A3 die Halbleiterschalter 17, 18, 19 an, die die Spannungsversorgung der zugehörigen Zweige durch die D/A-Ausgänge DA1, DA2, DA3 einschalten oder unterbrechen. Im Falle der Unterbrechung ist damit gewährleistet, dass der D/A-Ausgang keinen Einfluss auf die Messung nimmt. Die Abfrage der einzelnen Ein- und Ausgabe-Kanäle erfolgt in sehr kurzer Abfolge, so dass näherungsweise eine Echtzeitverarbeitung der Signale und Daten stattfindet.
Der Mikrocontroller 14 kann ebenfalls durch Steuerung der D/A-Ausgänge DA1, DA2, DA3 und Steuerung der Ausgänge A1, A2, A3 einen digitalen Speicherbaustein 28, der sich im Gehäuse zusammen mit dem Heizwiderstand 1 und den Messwiderständen 2, 3 befinden aktivieren. Die in diesem Speicherbaustein 28 gespeicherten Daten werden über die Analogeingänge AD2, AD4, AD6 eingelesen.
Der Widerstand 1 hat einen konstanten, von der Temperatur unabhängigen Wert. Der Widerstand 1 wird durch den D/A-Umwandler DA1 mit einer Spannung beaufschlagt. Diese Spannung verursacht einem Strom, der auch durch die Widerstände 7 und 6 fließt und dort Spannungsabfälle verursacht. Diese Spannungsabfälle können zu einer Bewertung des Heizwiderstands 1 genutzt werden. Dazu wird der Spannungsabfall über 6 aus den an AD1 und AD2 festgestellten Daten errechnet und unter Einbeziehung des Widerstandswerts von 6 der Strom berechnet. Aus diesem Strom und der Spannung, aufgenommen mit AD2, wird der Wert des Widerstands 1 berechnet. Das Ergebnis dieser Rechnung wird mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen und bewertet. Ergibt diese Bewertung eine Abweichung von den Referenzvorgaben, generiert der Mikrocontroller ein Fehlersignal. Für den Fall, dass der Widerstand 1 einen Temperaturkoeffizienten aufweist, ist die Bestimmung des Widerstandes geeignet, um eine Veränderung der Spannung derart herbeizuführen, dass die im Messwiderstand umgesetzte Leistung angepasst wird. Auf diese Weise kann unabhängig von den temperaturabhängigen Eigenschaften des Messwiderstandes eine Leistungsregelung erfolgen, die auch an die speziellen Stoffeigenschaften des zu messenden Mediums angepasst werden kann.
Eine geeignete Programmroutine bestimmt die Spannungen an DA2 und DA3, so dass eine abgeglichene Messbrücke entsteht, deren Brückendifferenzspannung 0 ist oder einem anderen vorgegebenen Wert entspricht.
Für die Funktion eines Messaufnehmers kann es erforderlich sein, dass der Einstellvorgang zu Beginn einer Messaufgabe automatisch oder auf Anforderung durchgeführt wird um einen Referenzzustand zu erzeugen. Die Einstellungen bleiben dann für den Betrieb gespeichert und dienen als Vergleichswert für die Überwachung eines Umgebungszustandes, in diesem speziellen Fall eines Strömungssensors, eines Strömungszustandes.
Die Indizierung einer funktionsbestimmten Zustandsänderung kann nach Abgleich der Messspannungen auf zwei Arten erfolgen. Zum einen ist es möglich, dass sich die Differenz zwischen den Daten, gemessen mit AD3 und AD5 verändert, was einer Verstimmung der Messbrücke entspricht. Zum anderen kann die Spannung an DA1 nach einem Algorithmus geändert werden, so dass die Brückendifferenzspannung kontinuierlich auf dem gleichen Niveau, wie beim Abgleich, gehalten wird.
Die Daten, die sich aus der Differenzbildung von AD3 und AD4 sowie Widerstand 5 und AD5 und AD6 sowie Widerstand 4 ergeben, können ebenfalls für die Bewertung dieser Messwiderstände herangezogen werden. Eine Bewertung, die eine Abweichung von gespeicherten Referenzwerten ergibt, produziert ein Fehlersignal, dass vom Mikrocontroller 14 ausgegeben wird. Außerdem kann die Verbindung zwischen dem Datenverarbeitungssystem und dem Messaufnehmer geprüft werden.
Außer der Datenerfassung und der Berechnung der messbrückenäquivalenten Spannung kann der Mikrocontroller eine Weiterverarbeitung der Daten, die von weiteren Signalen eines oder mehrerer A/D-Eingänge abhängt, durchführen. Dies sind u. a. die Linearisierung nichtlinearer Messwertabhängigkeiten anhand von Referenzdaten, Kompensation von Temperaturgängen unter Einbeziehung temperaturabhängiger Spannungen, sowie Vergleich von Rechenergebnissen mit eingespeicherten Grenzwerten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3213902 [0001]
DE 3514491 [0001]
DE 4129454 [0001]

Claims

Messbrückenschaltung, mit einer Mehrzahl von zwei parallele Spannungsteiler bildenden Widerständen (2, 8; 3, 9) und einem zwischen den ersten der beiden die Spannungsteiler bildenden Widerstände (8, 9) liegenden Abgleichelement zum Einstellen der Brückenquerspannung, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgleichelement als ein mit wenigstens zwei Analogausgängen (DA2, DA3) versehener Mikrocontroller (14) ausgebildet ist, wobei der eine Analogausgang (DA2) den einen der ersten Widerstände (8) und der zweite Analogausgang (DA3) den anderen der ersten Widerstände (9) zur Einstellung der Brückenspannung mit einer Spannung beaufschlagt.
Messbrücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – bei Verwendung der Messbrücke als Temperaturmessbrücke – die beiden ersten Widerstände (2, 3) temperaturabhängige Widerstände sind und ein den einen der temperaturabhängigen Widerstände (2) beheizender Heizwiderstand vorgesehen ist.
Messbrücke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten Widerstände (2, 3) und ggf. der Heizwiderstand (1) und eine diesen gemeinsame Anschlussleitung über Widerstandsnetzwerke (5, 8, 12; 4, 9, 13; 6, 7, 11) mit dem Mikrocontroller (14) verbunden sind.
Messbrücke nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (8) des Netzwerks (5, 8, 12) des ersten Widerstands (2), ein Widerstand (9) des Netzwerks (4, 9, 13) des zweiten Widerstands (3) und ggf. ein Widerstand (7) des Netzwerks (6, 7, 11) über von Ausgängen (A1, A2, A3) des Mikrocontrollers (14) geschaltete Halbleiterschalter (17, 18, 19) an den Analogausgängen (DA1, DA2, DA3) des Mikrocontrollers (14) anliegen.
Messbrücke nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (2) über einen Widerstand (12) des zugehörigen Netzwerks (5, 8, 12) mit einem ersten Analogeingang (AD3) und direkt über einen weiteren Widerstand (25) mit einem weiteren Analogeingang (AD4), der zweite Widerstand (3) über einen Widerstand (13) des zugehörigen Netzwerks (4, 9, 13) mit einem zweiten Analogeingang (AD5) und direkt über einen weiteren Widerstand (24) mit einem weiteren Analogeingang (AD6) und ggf. der Heizwiderstand (1) über einen Widerstand (11) des zugehörigen Netzwerks (6, 7, 11) mit einem vierten Analogeingang (AD1) und direkt über einen weiteren Widerstand (26) mit einem weiteren Analogausgang (AD2) des Mikrocontrollers (14) verbunden ist.
Messbrücke nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen einen digitalen Speicherbaustein beinhaltenden Schaltkreis 28, der durch kurzzeitige Änderungen der Spannungen der Analogausgänge DA1, DA2 und DA3 aktiviert wird und darin gespeicherte Daten mit den Analogeingängen AD2, AD4, AD6 eingelesen werden.