DE102014119510A1

DE102014119510A1 - Schaltungsanordnung zur Messung einer zeitlich veränderlichen physikalischen Messgröße

Info

Publication number: DE102014119510A1
Application number: DE102014119510.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Uhle; Stefan Paul
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Eine Schaltungsanordnung (1) zur Messung einer zeitlich veränderlichen physikalischen Messgröße, insbesondere einer Temperatur, umfasst: – ein Widerstandselement (9), das einen von der Messgröße abhängigen ohmschen Widerstand aufweist; – ein Präzisionswiderstandselement (8), welches zusammen mit dem Widerstandselement (9) einen mit einer Klemmenspannung betriebenen Spannungsteiler bildet; – einen Spannungsgenerator (6), welcher dazu eingerichtet ist, die Klemmenspannung bereitzustellen; – eine Steuerelektronik (4), die dazu ausgestaltet ist, den Spannungsgenerator (6) so zu steuern, dass die Klemmenspannung als Funktion der Zeit variiert; und – einen Komparator (3) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, – wobei ein zwischen dem Widerstandselement (9) und dem Widerstand (8) angeordneter Abgriff des Spannungsteilers mit dem ersten Eingang des Komparators (3) elektrisch gekoppelt ist, – wobei an dem ersten Eingang des Komparators (3) eine einen Spannungsabfall über dem Widerstandselement (9) repräsentierende Eingangsspannung (U1) anliegt, – wobei an dem zweiten Eingang des Komparators (3) eine Referenzspannung anliegt, – und wobei der Komparator (3) dazu ausgestaltet ist, an seinem Ausgang ein aus einem Vergleich der Referenzspannung mit der Eingangsspannung resultierendes Ausgangssignal auszugeben; und wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, anhand des Ausgangssignals des Komparators (3) einen Wert der Messgröße zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung einer zeitlich veränderlichen physikalischen Messgröße, insbesondere einer Temperatur.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung von Messgrößen eines Prozesses dienen. Zur Erfassung von Messgrößen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Endress+Hauser hergestellt und vertrieben.
Ein Feldgerät ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Durchflussmessgeräten, Füllstandsmessgeräten, Druckmessgeräten, Temperaturmessgeräten, Grenzstandsmessgeräten und/oder Analysemessgeräten.

• Durchflussmessgeräte sind insbesondere Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermischen und/oder magnetisch induktiven Durchflussmessgeräte.
• Füllstandsmessgeräte sind insbesondere Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte (TDR), radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, induktive Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte.
• Druckmessgeräte sind insbesondere Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte.
• Temperaturmessgeräte sind insbesondere Messgeräte mit Thermoelementen und temperaturabhängigen Widerständen.
• Analysemessgeräte sind insbesondere pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensoren, (spektro)-photometrische Sensoren, ionenselektive Elektroden und/oder ionenselektive Feldeffekttransistoren.

Eine Vielzahl solcher Messgeräte ist dazu ausgestaltet, die zu ermittelnde Messgröße mittels eines Widerstandselements zu erfassen, das einen von der Messgröße abhängigen ohmschen Widerstand aufweist. Beispielsweise basieren Vorrichtungen zur genauen Temperaturmessung häufig auf Widerstandselementen, wie Thermistoren, insbesondere NTC- oder PTC-Widerständen, die einen temperaturabhängigen ohmschen Widerstand aufweisen. Auch andere der oben genannten Sensoren, die als Hauptmessgröße eine andere Messgröße als die Temperatur erfassen, können zusätzlich einen Temperatursensor aufweisen, der dazu dient, die Temperatur mittels eines Widerstandselements mit einem temperaturabhängigen Widerstand zu erfassen und als Sekundär- oder Nebenmessgröße zu ermitteln. Generell ist es wünschenswert, eine der Ermittlung des veränderlichen ohmschen Widerstands dienende und in den Sensor integrierte Messschaltung zur Verfügung zu stellen, die möglichst kompakt ausgestaltet ist.
Insbesondere im Bereich der Analysemesstechnik sind Sensoren bekannt geworden, die neben einem die zu bestimmende (Haupt-)Messgröße in ein elektrisches Messsignal wandelnden Messwandler eine mit dem Messwandler fest verbundene Elektronikeinheit aufweisen, die der Digitalisierung und der weiteren Verarbeitung sowie der Kommunikation der erfassten und verarbeiteten Messwerte an eine übergeordnete Einheit, z.B. einen Messumformer oder ein Prozessleitsystem, dient. Die Anmelderin stellt beispielsweise derartige Sensoren, insbesondere pH-Sensoren, her, die unter der Bezeichnung „Memosens“ vertrieben werden. Die Elektronikeinheit ist in diesen Sensoren sehr kompakt ausgestaltet, um eine Installation der Sensoren in einem Prozess mittels herkömmlicher Armaturen zu ermöglichen.
Neben der Hauptmessgröße der Sensoren, wie pH-Wert, Leitfähigkeit, Gelöstsauerstoffgehalt, Trübung oder Konzentration einer bestimmten Ionenart, messen die Sensoren häufig die Temperatur und geben diese als Nebenmessgröße aus und/oder nutzen die Temperatur zur korrekten Bestimmung der Hauptmessgröße. Zur Temperaturmessung umfassen die Sensoren in der Regel ein Widerstandselement mit einem von der Temperatur abhängigen ohmschen Widerstand.
Zur Messung temperaturabhängiger ohmscher Widerstände dienen üblicherweise Brückenschaltungen. Um die Elektronikeinheit derartiger Sensoren möglichst kompakt zu halten, ist es wünschenswert, den Umfang der Temperturmessschaltung zugunsten der der Bestimmung der Hauptmessgröße dienenden Schaltung so gering wie möglich zu gestalten.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Messung einer zeitlich veränderlichen Messgröße mittels eines Widerstandselements, das einen von der Messgröße abhängigen ohmschen Widerstand aufweist, anzugeben, die diesen Anforderungen Rechnung trägt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Messung einer zeitlich veränderlichen physikalischen Messgröße, insbesondere einer Temperatur, umfassend:

– ein Widerstandselement, das einen von der Messgröße abhängigen ohmschen Widerstand aufweist;
– ein Präzisionswiderstandselement, welches zusammen mit dem Widerstandselement einen mit einer Klemmenspannung betriebenen Spannungsteiler bildet;
– einen Spannungsgenerator, welcher dazu eingerichtet ist, die Klemmenspannung bereitzustellen;
– eine Steuerelektronik, die dazu ausgestaltet ist, den Spannungsgenerator so zu steuern, dass die Klemmenspannung als Funktion der Zeit variiert; und
– einen Komparator mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang,
– wobei ein zwischen dem Widerstandselement und dem Widerstand angeordneter Abgriff des Spannungsteilers mit dem ersten Eingang des Komparators elektrisch gekoppelt ist,
– wobei an dem ersten Eingang des Komparators eine einen Spannungsabfall über dem Widerstandselement repräsentierende Eingangsspannung anliegt,
– wobei an dem zweiten Eingang des Komparators eine Referenzspannung anliegt,
– und wobei der Komparator dazu ausgestaltet ist, an seinem Ausgang ein aus einem Vergleich der Referenzspannung mit der Eingangsspannung resultierendes Ausgangssignal auszugeben; und wobei die Steuerelektronik dazu ausgestaltet ist, anhand des Ausgangssignals des Komparators einen Wert der Messgröße zu ermitteln.

Diese Schaltung kommt mit wenigen Elementen aus und kann daher sehr kompakt ausgestaltet werden. Die Steuerelektronik kann insbesondere einen Mikrocontroller umfassen, in den mindestens ein Teil der Elemente der Schaltungsanordnung integriert sein können, wie beispielsweise der Komparator und Schaltungsmittel zum Variieren der Klemmenspannung als Funktion der Zeit.
Die Messgröße kann beispielsweise eine Temperatur sein. In diesem Fall kann es sich bei dem Widerstandselement um einen NTC- oder PTC-Widerstand, beispielsweise um einen Pt100 oder Pt1000-Widerstand, handeln. Die Messgröße kann auch eine Dehnung sein, in diesem Fall handelt es sich bei dem Widerstandselement um einen Dehnungsmessstreifen. Eine derartige Dehnungsmessung kann auch der Druck- oder Längenmessung dienen.
Die Steuerelektronik kann dazu ausgestaltet sein, den Spannungsgenerator dazu zu steuern, die Klemmenspannung in der Weise zu variieren, dass die am ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung nacheinander eine Vielzahl von, insbesondere diskreten, Werten zwischen einem unteren, unterhalb der durch die Referenzspannung bestimmten Schaltschwelle des Komparators liegenden, Eingangsspannungsgrenzwert und einem oberen, oberhalb der Schaltschwelle des Komparators liegenden, Eingangsspannungsgrenzwert annimmt.
Die Steuerelektronik kann weiter dazu ausgestaltet sein, anhand des Ausgangssignals des Komparators, einen die zu einem Zeitpunkt, an dem die Eingangsspannung die Schaltschwelle des Komparators erreicht, vorliegende Klemmenspannung repräsentierenden Wert, insbesondere einen zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierenden Wert, zu registrieren, und anhand des registrierten Werts einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Hierzu kann die Steuerelektronik beispielsweise anhand des Ausgangssignals des Komparators ein Interrupt auslösen, wenn die Eingangsspannung die Schaltschwelle des Komparators erreicht, insbesondere über- oder unterschreitet. Ein die zum Zeitpunkt des Interrupts vorliegende Klemmenspannung repräsentierender Wert wird von der Steuerelektronik registriert, um daraus einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Die Steuerelektronik kann weiter dazu ausgestaltet sein, die Klemmenspannung anhand des Ausgangssignals des Komparators derart an den zuletzt ermittelten Wert der Messgröße anzupassen, dass die am ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung den unteren Eingangsspannungsgrenzwert nicht unterschreitet und den oberen Eingangsspannungsgrenzwert nicht überschreitet.
Der obere und der untere Eingangsspannungsgrenzwert können dabei beispielsweise so vorgegeben sein, dass die Schaltschwelle des Komparators in der Mitte eines durch den oberen und den unteren Eingangsspannungsgrenzwert vorgegebenen Intervalls liegt.
Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass bei einer Temperaturänderung und einer damit einhergehenden Änderung des ohmschen Widerstands des Widerstandselements die Klemmenspannung bzw. ein Effektivwert der Klemmenspannung derart nachgeführt wird, dass die am Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung weiterhin innerhalb eines Intervalls variiert wird, das die Schaltschwelle des Komparators beinhaltet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist ein zeitlicher Verlauf der am ersten Eingang des Komparators anliegenden Eingangsspannung durch einen zeitlichen Verlauf des Effektivwerts der Klemmenspannung vorgegeben, und die Steuerelektronik ist dazu ausgestaltet, den Spannungsgenerator derart zu steuern, dass sich der Effektivwert der vom Spannungsgenerator bereitgestellten Klemmenspannung als Funktion der Zeit zwischen einem ersten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung und einem zweiten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung ändert.
In dieser Ausgestaltung kann die Steuerelektronik weiter dazu ausgestaltet sein, dem Spannungsgenerator ein den Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierendes Steuersignal vorzugeben, welches sich als Funktion der Zeit zwischen einem den ersten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierenden ersten Steuersignalgrenzwert und einem den zweiten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierenden zweiten Steuersignalgrenzwert ändert.
Die Steuerelektronik kann weiter dazu ausgestaltet sein, anhand des Ausgangssignals des Komparators den zu dem Zeitpunkt, an dem die Eingangsspannung die Schaltschwelle des Komparators erreicht, von der Steuerelektronik vorgegebenen Steuerwert des Steuersignals zu registrieren, und anhand des registrierten Werts einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Hierzu kann die Steuerelektronik beispielsweise anhand des Ausgangssignals des Komparators ein Interrupt auslösen, wenn die Eingangsspannung die Schaltschwelle des Kompensators erreicht, insbesondere über- oder unterschreitet. Der zum Zeitpunkt des Interrupts vorliegende Steuerwert des Steuersignals wird von der Steuerelektronik registriert, um daraus einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Das Steuersignal kann beispielsweise ein Gleichspannungswert einer Gleichspannung, ein Tastverhältnis einer pulsweitenmodulierten Spannung, ein Gleichanteil einer pulsweitenmodulierten Spannung oder ein Amplitudenwert einer Wechselspannung sein.
Vorteilhaft kann die Steuerelektronik dazu ausgestaltet sein, anhand des aktuellen Messwerts der Messgröße oder anhand eines den aktuellen Messwert der Messgröße repräsentierenden Werts, insbesondere anhand des registrierten Steuerwerts, den ersten Steuersignalgrenzwert und/oder den zweiten Steuersignalgrenzwert anzupassen.
Der erste und der zweite Steuersignalgrenzwert können vorteilhaft derart an den zuletzt ermittelten Wert der Messgröße bzw. den registrierten Steuerwert angepasst werden, dass die am ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung den unteren Eingangsspannungsgrenzwert nicht unterschreitet und den oberen Eingangsspannungsgrenzwert nicht überschreitet.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem der angepasste Wert des ersten Steuersignalgrenzwerts so festgelegt wird, dass unter der Voraussetzung, dass die Messgröße konstant bleibt, bei Vorliegen des durch den ersten Steuersignalgrenzwert repräsentierten Effektivwerts der Klemmenspannung die am ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung den unteren Eingangsspannungsgrenzwert aufweist. Gleichermaßen kann weiter der zweite Steuersignalgrenzwert so festgelegt werden, dass, wieder unter der Voraussetzung, dass die Messgröße konstant bleibt, bei Vorliegen des durch den zweiten Steuersignalgrenzwert repräsentierten Effektivwerts der Klemmenspannung die am ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung den oberen Eingangsspannungsgrenzwert aufweist.
Im einfachsten Fall können die Steuersignalgrenzwerte so angepasst werden, dass sie ein Intervall festgelegter Breite bzw. Länge um den jeweils aktuellen Wert des Steuersignals bilden, so dass der aktuelle Wert des Steuersignals vorzugsweise die Mitte des Intervalls, also den Mittelwert des ersten und des zweiten Steuersignalgrenzwerts, bildet.
In einer Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist die Steuerelektronik dazu ausgestaltet, den Spannungsgenerator dazu anzusteuern, als Klemmenspannung eine Gleichspannung vorzugeben, und diese als, insbesondere lineare, Funktion der Zeit, zwischen einem unteren Klemmenspannungsgrenzwert und einem oberen Klemmenspannungsgrenzwert zu variieren. In diesem Fall dient als sich zeitlich veränderndes Steuersignal der Steuerelektronik also ein Gleichspannungswert der Klemmenspannung.
In dieser Ausgestaltung kann die Steuerelektronik weiter dazu ausgestaltet sein, anhand des Ausgangssignals des Komparators zu dem Zeitpunkt, an dem die Eingangsspannung die Schaltschwelle des Komparators erreicht, einen zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Gleichspannungswert der Klemmenspannung zu registrieren und anhand des registrierten Werts einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln. Vorteilhaft kann die Steuerelektronik außerdem dazu ausgestaltet sein, wie bereits beschrieben, anhand des registrierten Gleichspannungswerts die Klemmenspannungsgrenzwerte anzupassen.
In einer alternativen Ausgestaltung kann der Abgriff des Spannungsteilers über einen Tiefpassfilter mit dem ersten Eingang des Komparators verbunden sein, wobei der Spannungsgenerator einen PWM-Generator zur Pulsweitenmodulation der Klemmenspannung umfasst, und wobei die Steuerelektronik dazu ausgestaltet ist, dem PWM-Generator ein als Steuersignal dienendes Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Klemmenspannung vorzugeben. Unter einem Tastverhältnis, gelegentlich auch als Tastgrad bezeichnet, versteht man das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signals. Der Tiefpassfilter kann in einer günstigen Ausgestaltung Bestandteil des bereits erwähnten Mikrocontrollers der Steuerelektronik sein.
Die Steuerelektronik kann in dieser Ausgestaltung dazu ausgestaltet sein, das Tastverhältnis zwischen einem oberen Tastverhältnisgrenzwert und einem unteren Tastverhältnisgrenzwert in der Weise zu variieren, dass die mittels des Tiefpassfilters demodulierte, am ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung als, insbesondere lineare, Funktion der Zeit zwischen dem oberen und dem unteren Eingangsspannungsgrenzwert verläuft. Der Komparator erhält somit an seinem ersten Eingang eine sich, insbesondere linear, verändernde Eingangsspannung. Die Tastverhältnisgrenzwerte entsprechen in dieser Ausgestaltung den weiter oben erwähnten Steuersignalgrenzwerten.
Vorteilhaft kann in dieser Ausgestaltung die Steuerelektronik dazu ausgestaltet sein, anhand des Ausgangssignals des Komparators ein Interrupt auszulösen, wenn die Eingangsspannung eine Schaltschwelle des Komparators erreicht und den zum Zeitpunkt des Interrupts eingestellten Wert des Tastverhältnisses zu registrieren, insbesondere zu speichern, und anhand des registrierten Werts des Tastverhältnisses den aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Weiter kann die Steuerelektronik dazu ausgestaltet ist, anhand des registrierten Werts des Tastverhältnisses den unteren Tastverhältnisgrenzwert und/oder den oberen Tastverhältnisgrenzwert anzupassen, wie weiter oben bereits allgemein für die Anpassung der Steuersignalgrenzwerte beschrieben.
Die Steuerelektronik kann dazu ausgestaltet sein, den Messwert an eine übergeordnete Einheit oder an eine Anzeigevorrichtung auszugeben.
Die Erfindung betrifft auch einen Sensor, welcher eine Schaltungsanordnung nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen umfasst. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor um einen Temperatursensor, insbesondere ein Widerstandsthermometer, handeln. Der Sensor kann auch ein elektrochemischer Sensor, insbesondere ein pH-Sensor oder ein Sauerstoffsensor, ein Leitfähigkeitssensor, ein Drucksensor, ein Füllstandssensor oder ein Durchflusssensor sein.
Der Sensor kann beispielsweise einen Messaufnehmer zur Erfassung einer von der mittels der Schaltungsanordnung erfassbaren Messgröße verschiedenen Hauptmessgröße umfassen, wobei die mittels der Schaltungsanordnung erfassbare Messgröße als Nebenmessgröße des Sensors, insbesondere zur Ermittlung von Messwerten der Hauptmessgröße, dient. Beispielsweise können mittels der Schaltungsanordnung Temperaturmesswerte ermittelt werden, welche zur Temperaturkompensation des mittels des Messaufnehmers ermittelten Rohmesswerts dienen. Bei dem Messaufnehmer kann es sich beispielsweise um einen induktiven oder konduktiven Leitfähigkeits-Messaufnehmer, um eine potentiometrische pH-Messkette, um einen amperometrischen oder optischen Messaufnehmer zur Bestimmung einer Gelöstsauerstoffkonzentration oder um einen anderen Messaufnehmer zur Erfassung einer oder mehrerer der weiter oben genannten Messgrößen handeln.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines ersten Beispiels einer Schaltungsvorrichtung zur Bestimmung eines in Abhängigkeit der Temperatur veränderlichen ohmschen Widerstands eines Widerstandselements;
2 eine Prinzipskizze eines zweiten Beispiels einer Schaltungsvorrichtung zur Bestimmung eines in Abhängigkeit der Temperatur veränderlichen ohmschen Widerstands eines Widerstandselements;
3 einen Verlauf der Temperatur als Funktion der Zeit und den Verlauf eines in der Schaltungsanordnung gemäß 1 oder 2 eingestellten Verlaufs eines die Klemmenspannung eines das Widerstandselement enthaltenden Spannungsteilers repräsentierenden Werts.
In 1 ist schematisch eine Schaltungsanordnung 1 dargestellt, welche der Messung eines von einer Messgröße, im vorliegenden Beispiel der Temperatur, abhängigen ohmschen Widerstands eines Widerstandselements 9 dient. Das Widerstandselement 9 bildet zusammen mit einem Präzisionswiderstandselement 8, dessen ohmscher Widerstand beispielsweise einen Fehler von ≤ 0,1% aufweist, einen Spannungsteiler. Der Spannungsteiler weist zwischen dem Präzisionswiderstand 8 und dem Widerstandselement 9 einen Abgriff auf, an dem eine Knotenspannung abgreifbar ist. Dieser Abgriff ist mit einem ersten Eingang eines Komparators 3 verbunden. Der Komparator 3 ist im vorliegenden Beispiel in einen Mikrocontroller 2 integriert.
Am zweiten Eingang des Komparators 3 liegt eine einstellbare, die Schaltschwelle des Komparators 3 definierende Vergleichsspannung, auch als Referenzspannung bezeichnet, an. Diese ist durch einen, vorzugsweise intern über den Mikrocontroller 2 einstellbaren, weiteren Spannungsteiler 5, der mit einer Versorgungsspannung U_cc gekoppelt ist, vorgegeben. Dieser Spannungsteiler 5 wird einmalig eingestellt und anschließend nicht mehr verändert. Die eingestellte Spannung orientiert sich an einem Bereich, der durch den Aussteuerbereich der am ersten Eingang des Komparators 3 anliegenden Eingangsspannung U₁, die wiederum vom ohmschen Widerstand des Widerstandselements 9 abhängt, bestimmt wird.
Der Ausgang des Komparators 3 ist mit einem Signaleingang einer Steuerelektronik 4 verbunden. Die Steuerelektronik 4 ist ihrerseits mit einem in den Mikrocontroller 2 integrierten Spannungsgenerator 6 verbunden und dazu ausgestaltet, den Spannungsgenerator 6 zu steuern. Der Spannungsgenerator 6 wird wie der weitere Spannungsteiler 5 mit der Versorgungsspannung U_cc versorgt.
Im Folgenden wird die Bestimmung des ohmschen Widerstands des Widerstandselements 9 zur Temperaturmessung mittels der Schaltungsanordnung 1 näher erläutert.
Die Steuerelektronik 4 ist dazu ausgestaltet, den Spannungsgenerator 6 dazu zu steuern, die Klemmenspannung U_kl des das Widerstandselement 9 enthaltenden Spannungsteilers als Funktion der Zeit zu variieren. Dabei stellt die Steuerelektronik 4 mittels des Spannungsgenerators 6 einen Verlauf der Klemmenspannung U_kl ein, der dazu führt, dass die am ersten Eingang des Komparators 3 anliegende Eingangsspannung U₁ nacheinander eine Vielzahl von Werten zwischen einem unteren Eingangsspannungsgrenzwert und einem oberen Eingangsspannungsgrenzwert annimmt. Die Eingangsspannungsgrenzwerte sind derart festgelegt, dass die durch die am zweiten Eingang des Komparators 3 anliegende Referenzspannung bestimmte Schaltschwelle des Komparators innerhalb, vorzugsweise im Wesentlichen in der Mitte, des von den Eingangsspannungsgrenzwerten eingeschlossenen Intervalls liegt. Der Verlauf der Eingangsspannung U₁ bildet vorteilhaft eine lineare, zwischen dem oberen und unteren Eingangsspannungsgrenzwert bzw. umgekehrt verlaufende Rampe.
Hierzu gibt die Steuerelektronik 4 an den Spannungsgenerator 6 ein sich zeitlich veränderndes Steuersignal S aus, das die vom Spannungsgenerator 6 einzustellende, sich entsprechend des Steuersignals S zeitlich verändernde Klemmenspannung U_kl, insbesondere einen sich entsprechend des Steuersignals S zeitlich verändernden Effektivwert oder Gleichanteil der Klemmenspannung U_kl, repräsentiert. Im vorliegenden Beispiel ist der Spannungsgenerator 6 dazu ausgestaltet, eine sich linear als Funktion der Zeit ändernde Gleichspannung als Klemmenspannung U_kl des Spannungsteilers zu erzeugen. Die Steuerelektronik 4 gibt an den Spannungsgenerator 6 hierzu als Steuersignal S einen sich entsprechend linear als Funktion der Zeit ändernden Gleichspannungswert der Klemmenspannung U_kl aus. Der Spannungsgenerator 6 stellt die Klemmenspannung U_kl entsprechend dem Steuersignal S als Gleichspannung mit einem durch den zeitlichen Verlauf des Steuersignals S vorgegebenen zeitlichen Verlauf ein. Der als Steuersignal S dienende Gleichspannungswert der Klemmenspannung U_kl wird dabei als Funktion der Zeit zwischen einem unteren Steuersignalgrenzwert, der einem unteren Klemmenspannungsgrenzwert entspricht, und einem oberen Steuersignalgrenzwert, der einem oberen Klemmenspannungsgrenzwert entspricht, linear variiert.
Die am Abgriff des Spannungsteilers abgreifbare und am ersten Eingang des Komparators 3 anliegende Spannung U₁ weist einen dem Verlauf der Klemmenspannung U_kl entsprechenden linearen Verlauf zwischen dem oberen und dem unteren Eingangsspannungsgrenzwert auf. Über- oder unterschreitet der Spannungswert von U₁ den Wert der am zweiten Eingang des Komparators 3 anliegenden Referenzspannung, ist also, mit anderen Worten, die Schaltschwelle des Komparators 3 erreicht, gibt der Komparator 3 über seinen Ausgang ein Signal an die Steuerelektronik 4 aus. Dieses Signal löst einen Interrupt aus, und ein den bei Auslösen des Interrupts eingestellten Effektivwert der Klemmenspannung U_kl repräsentierender Wert wird von der Steuerelektronik 4 registriert. Bei diesem Wert kann es sich vorteilhaft um den aktuellen Wert des von der Steuerelektronik 4 dem Spannungsgenerator 6 vorgegebenen Steuersignals S handeln, hier also um den Gleichspannungswert der Klemmenspannung U_kl.
Dieser Wert ist ein Maß für den aktuellen Wert des ohmschen Widerstands des Widerstandselements 9, da der ohmsche Widerstand des Präzisionswiderstands 8 konstant und bekannt ist. Die Steuerelektronik 4 ermittelt anhand des registrierten Werts den aktuellen Messwert der Temperatur. Dieser aktuelle Temperaturmesswert kann von der Steuerelektronik 4 an eine weitere Recheneinrichtung (nicht in der Figur gezeigt) oder eine Anzeigeeinrichtung ausgegeben werden.
Anhand des aktuellen Messwerts oder anhand des registrierten Werts des den Spannungsverlauf von U₁ beeinflussenden, sich zeitlich verändernden Steuersignals S, hier des Gleichspannungswerts der Klemmenspannung U_kl, berechnet die Steuerelektronik 4 außerdem einen neuen unteren Grenzwert S_u des Steuersignals S und einen neuen oberen Grenzwert S_o des Steuersignals S, was im vorliegenden Beispiel einem unteren Klemmenspannungsgrenzwert und einem oberen Klemmenspannungsgrenzwert entspricht. Die Grenzwerte werden vorzugsweise so berechnet, dass der zuletzt registrierte Wert des Steuersignals S bzw. der zuletzt registrierte Gleichspannungswert der Klemmenspannung U_kl in der Mitte des durch die Grenzwerte des Steuersignals S bzw. der Gleichspannungsgrenzwerte vorgegebenen Intervalls liegt. Vorzugsweise wird die Länge bzw. Breite des Intervalls, also der Abstand von S_u und S_o, dabei beibehalten und das Intervall durch die Anpassung daher nur um den Betrag verschoben, um den sich das zuletzt registrierte Steuersignal gegenüber einem zuvor registrierten Steuersignal geändert hat.
Anschließend wird das Messverfahren fortgesetzt, indem das Steuersignal S bzw. der Gleichspannungswert der Klemmenspannung innerhalb dieses Intervalls linear als Funktion der Zeit variiert wird, um die Eingangsspannung U₁ als lineare Funktion der Zeit zwischen dem unteren Eingangsspannungsgrenzwert und dem oberen Eingangsspannungsgrenzwert zu variieren. Die beschriebenen Schritte werden zyklisch immer wieder wiederholt.
Ein beispielhafter, sehr schematisch dargestellter Verlauf des Steuersignals S, der im vorliegenden Beispiel dem Verlauf der Klemmenspannung U_kl als Funktion der Zeit t entspricht, ist in 3 dargestellt. Auf der linken y-Achse ist das Steuersignal S aufgetragen. Zur Veranschaulichung des Verfahrens wurde ein Temperaturverlauf T mit in der Figur dargestellt dargestellt (die Punkte entsprechen Temperaturmesswerten), bei dem sich die Temperatur signifikant innerhalb weniger Messperioden PD ändern. In der Realität verändert sich die Temperatur sehr viel langsamer. Die Temperatur T ist auf der rechten y-Achse aufgetragen.
In der 3 sieht man den linearen Verlauf des von der Steuerelektronik 4 ausgegebenen Steuersignals S. Ganz analog verläuft auch die vom Spannungsgenerator 6 anhand dieses Steuersignals ausgegebene Klemmenspannung U_kl. Die Punkte markieren diejenigen Werte der Klemmenspannung U_kl, bei denen die am ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung U₁ die Schaltschwelle des Komparators 3 erreicht. Die diesen Punkten zugehörigen Werte des von der Steuerelektronik 4 ausgegebenen Steuersignals S, die im vorliegenden Fall mit den Werten der Klemmenspannung U_kl übereinstimmen, werden zur Bestimmung des zugehörigen Temperaturmesswerts ausgewertet. Beim dritten Messpunkt ist die Temperatur so weit angestiegen, dass der Wert von des Steuersignals S bzw. der Klemmenspannung U_kl bei dem die Schaltschwelle erreicht wird, nicht mehr in der Mitte des durch den oberen und unteren Klemmenspannungsgrenzwerts bzw. des durch den oberen und unteren Steuersignalgrenzwert S_o1, S_u1 vorgegebenen Intervalls liegt. Entsprechend passt die Steuerelektronik 4 anhand des zuletzt registrierten Werts des Steuersignals S bzw. der Klemmenspannung U_kl die oberen und unteren Grenzwerte des Steuersignals S bzw. der Klemmenspannung U_kl an und setzt das Messverfahren mit den neuen Grenzwerten S_o2, S_u2 fort. Wie aus 3 ersichtlich, wird mit jeder weiteren registrierten Temperaturänderung eine Anpassung der oberen und unteren Grenzwerte vorgenommen. Die Grenzwerte werden derart angepasst, dass der zuletzt registrierte Wert des Steuersignals S bzw. der zuletzt registrierte Wert der Klemmenspannung innerhalb, vorzugsweise in der Mitte, des durch die Grenzwerte definierten Intervalls liegt.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass auf diese Weise gewährleistet werden kann, dass bei Temperaturänderungen die am ersten Eingang des Komparators anliegende, von der Temperatur bzw. dem ohmschen Widerstand des Widerstandselement 9 anliegende Eingangsspannung U₁ jederzeit innerhalb des Aussteuerbereichs des Komparators 3 bzw. vorteilhaft sogar nahe am Arbeitspunkt des Komparators liegt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Identische Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Hauptunterschied zu der Schaltungsanordnung 1 der 1 besteht darin, dass zwischen dem Abgriff des das Widerstandselement 9 umfassenden Spannungsteilers ein Tiefpassfilter 7 angeordnet ist. Der Tiefpassfilter 7 ist im vorliegenden Beispiel kein Bestandteil des Mikrocontrollers 2, kann aber in einer alternativen Ausgestaltung wie der Komparator 3 in den Mikrocontroller 2 integriert sein. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann der Tiefpassfilter auch zwischen dem Spannungsgenerator 6 und dem Spannungsteiler angeordnet sein. Der Spannungsgenerator 6 ist im Beispiel der 2 als PWM-Generator ausgestaltet, der eine pulsweitenmodulierte Spannung ausgibt.
Im vorliegenden Beispiel gibt die Steuerelektronik 4 dem Spannungsgenerator 6 als Steuersignal S zur Einstellung der Klemmenspannung U_kl ein Tastverhältnis der vom Spannungsgenerator 6 auszugebenden pulsweitenmodulierten Spannung vor. Um zu erreichen, dass die am ersten Eingang des Komparators 3 anliegende Eingangsspannung U₁ nacheinander eine Vielzahl von Werten zwischen einem unteren Eingangsspannungsgrenzwert und einem oberen Eingangsspannungsgrenzwert annimmt, bzw. dass der Verlauf der Eingangsspannung U₁ eine lineare, zwischen dem oberen und unteren Eingangsspannungsgrenzwert verlaufende Rampe ist, wird das Tastverhältnis, insbesondere linear, als Funktion der Zeit zwischen einem unteren Tastverhältnisgrenzwert und einem oberen Tastverhältnisgrenzwert variiert. Dies bewirkt einen entsprechenden Verlauf des Effektivwertes der Klemmenspannung U_kl des das Widerstandselement umfassenden Spannungsteilers als Funktion der Zeit. In der Folge ergibt sich durch Demodulation der pulsweitenmodulierten Klemmenspannung mittels des Tiefpassfilters 7 eine am ersten Eingang des Komparators 3 anliegende, Eingangsspannung U₁, deren Spannungswert als Funktion der Zeit einen im wesentlichen linearen Verlauf aufweist.
Wie im Beispiel der 1 wird bei Über- oder Unterschreiten der Schaltschwelle des Komparators 3 durch U₁ anhand des Komparatorsignals ein Interrupt ausgelöst und der aktuelle Wert des Steuersignals S der Steuerelektronik 4, hier des Tastverhältnisses, oder einer damit zusammenhängenden Größe, z.B. des Gleichspannungsanteils der vom Spannungsgenerator 6 ausgegebenen pulsweitenmodulierten Spannung, registriert. Aus diesem Wert bestimmt die Steuerelektronik 4 den aktuellen Wert des ohmschen Widerstands des Widerstandeselements 9 bzw. den aktuellen Wert der Messgröße, hier der Temperatur.
Wie im Beispiel der 1 wird auch bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 anhand des aktuellen Messwerts oder anhand des registrierten Werts durch die Steuerelektronik 4 außerdem ein neuer unteren Grenzwert S_u1 des Steuersignals S (hier: des Tastverhältnisses) und ein neuer oberer Grenzwert S_o1 des Steuersignals S ermittelt, diese Grenzwerte entsprechen einem neuen unteren Grenzwert des Effektivwerts der Klemmenspannung U_kl und einem neuen oberen Grenzwert des Effektivwerts der Klemmenspannung U_kl. Die Grenzwerte werden vorzugsweise so berechnet, dass der zuletzt registrierte Wert des Steuersignals S innerhalb, vorzugsweise in der Mitte, des durch die Steuersignalgrenzwerte vorgegebenen Intervalls liegt. Anschließend wird das Messverfahren fortgesetzt, indem das Steuersignal mittels der Steuerelektronik 4 innerhalb dieses Intervalls linear als Funktion der Zeit variiert wird.
Nimmt man den in 3 dargestellten Temperaturverlauf an, ergibt sich auch bei der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung somit ein Verlauf des Steuersignals S, in diesem Beispiel also des Tastverhältnisses oder des Gleichanteils der mittels des Spannungsgenerators 6 erzeugten Spannung, der ganz analog dem in 3 dargestellten Verlauf des Steuersignals S entspricht, wobei die auf der y-Achse aufgetragene Größe S in diesem Fall für das Tastverhältnis bzw. den Gleichanteil der vom Spannungsgenerator 6 erzeugten Spannung steht.
Die Schaltungsanordnung gemäß 1 oder 2 kann vorteilhaft Bestandteil einer in einem Sensorgehäuse untergebrachten Messschaltung eines Sensors, insbesondere eines pH-Sensors oder eines Leitfähigkeitssensors sein.

Claims

Schaltungsanordnung (1) zur Messung einer zeitlich veränderlichen physikalischen Messgröße, insbesondere einer Temperatur, umfassend: – ein Widerstandselement (9), das einen von der Messgröße abhängigen ohmschen Widerstand aufweist; – ein Präzisionswiderstandselement (8), welches zusammen mit dem Widerstandselement (9) einen mit einer Klemmenspannung betriebenen Spannungsteiler bildet; – einen Spannungsgenerator (6), welcher dazu eingerichtet ist, die Klemmenspannung bereitzustellen; – eine Steuerelektronik (4), die dazu ausgestaltet ist, den Spannungsgenerator (6) so zu steuern, dass die Klemmenspannung als Funktion der Zeit variiert; und – einen Komparator (3) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, – wobei ein zwischen dem Widerstandselement (9) und dem Widerstand (8) angeordneter Abgriff des Spannungsteilers mit dem ersten Eingang des Komparators (3) elektrisch gekoppelt ist, – wobei an dem ersten Eingang des Komparators (3) eine einen Spannungsabfall über dem Widerstandselement (9) repräsentierende Eingangsspannung (U₁) anliegt, – wobei an dem zweiten Eingang des Komparators (3) eine Referenzspannung anliegt, – und wobei der Komparator (3) dazu ausgestaltet ist, an seinem Ausgang ein aus einem Vergleich der Referenzspannung mit der Eingangsspannung resultierendes Ausgangssignal auszugeben; und wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, anhand des Ausgangssignals des Komparators (3) einen Wert der Messgröße zu ermitteln.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, den Spannungsgenerator (6) dazu zu steuern, die Klemmenspannung in der Weise zu variieren, dass die am ersten Eingang des Komparators (3) anliegende Eingangsspannung (U₁) nacheinander eine Vielzahl von, insbesondere diskreten, Werten zwischen einem unteren, unterhalb der durch die Referenzspannung bestimmten Schaltschwelle des Komparators (3) liegenden, Eingangsspannungsgrenzwert und einem oberen, oberhalb der Schaltschwelle des Komparators (3) liegenden, Eingangsspannungsgrenzwert annimmt.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2, wobei die Steuerelektronik weiter dazu ausgestaltet ist, anhand des Ausgangssignals des Komparators (3), einen die zu einem Zeitpunkt, an dem die Eingangsspannung (U1) die Schaltschwelle des Komparators erreicht, vorliegende Klemmenspannung repräsentierenden Wert, insbesondere einen zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierenden Wert, zu registrieren, und anhand des registrierten Werts einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, die Klemmenspannung anhand des Ausgangssignals des Komparators (3) derart an den zuletzt ermittelten Wert der Messgröße anzupassen, dass die am ersten Eingang des Komparators (3) anliegende Eingangsspannung den unteren Eingangsspannungsgrenzwert nicht unterschreitet und den oberen Eingangsspannungsgrenzwert nicht überschreitet.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei ein zeitlicher Verlauf der am ersten Eingang des Komparators (3) anliegenden Eingangsspannung (U₁) durch einen zeitlichen Verlauf des Effektivwerts der Klemmenspannung vorgegeben ist, und wobei die Steuerelektronik dazu ausgestaltet ist, den Spannungsgenerator (6) derart zu steuern, dass sich der Effektivwert der vom Spannungsgenerator bereitgestellten Klemmenspannung als Funktion der Zeit zwischen einem ersten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung und einem zweiten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung ändert.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, dem Spannungsgenerator (6) ein den Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierendes Steuersignal vorzugeben, welches sich als Funktion der Zeit zwischen einem den ersten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierenden ersten Steuersignalgrenzwert und einem den zweiten Grenzwert für den Effektivwert der Klemmenspannung repräsentierenden zweiten Steuersignalgrenzwert ändert.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 6, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, anhand des Ausgangssignals des Komparators (3) den zu dem Zeitpunkt, an dem die Eingangsspannung (U₁) die Schaltschwelle des Komparators erreicht, von der Steuerelektronik vorgegebenen Steuerwert des Steuersignals zu registrieren, und anhand des registrierten Werts einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, anhand des aktuellen Messwerts der Messgröße oder anhand eines den aktuellen Messwert der Messgröße repräsentierenden Werts, insbesondere anhand des registrierten Steuerwerts, den ersten Steuersignalgrenzwert und/oder den zweiten Steuersignalgrenzwert anzupassen.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, den Spannungsgenerator (6) dazu anzusteuern, als Klemmenspannung eine Gleichspannung vorzugeben, und diese als, insbesondere lineare, Funktion der Zeit, zwischen einem unteren Klemmenspannungsgrenzwert und einem oberen Klemmenspannungsgrenzwert zu variieren.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 9, wobei die Steuerelektronik weiter dazu ausgestaltet ist, anhand des Ausgangssignals des Komparators (3) zu dem Zeitpunkt, an dem die Eingangsspannung (U1) die Schaltschwelle des Komparators (3) erreicht, einen zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Gleichspannungswert der Gleichspannung zu registrieren und anhand des registrierten Werts einen aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Abgriff des Spannungsteilers über einen Tiefpassfilter (7) mit dem ersten Eingang des Komparators (3) verbunden ist, wobei der Spannungsgenerator (6) einen PWM-Generator zur Pulsweitenmodulation der Klemmenspannung umfasst, und wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, dem PWM-Generator (6) ein als Steuersignal dienendes Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Klemmenspannung vorzugeben.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 11, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, das Tastverhältnis zwischen einem unteren Tastverhältnisgrenzwert und einem oberen Tastverhältnisgrenzwert in der Weise zu variieren, dass die mittels des Tiefpassfilters (7) demodulierte, am ersten Eingang des Komparators (3) anliegende Eingangsspannung als, insbesondere lineare, Funktion der Zeit zwischen dem oberen und dem unteren Eingangsspannungsgrenzwert verläuft.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 12, wobei die Steuerelektronik (4) dazu ausgestaltet ist, anhand des Ausgangssignals des Komparators (3) ein Interrupt auszulösen, wenn die Eingangsspannung eine Schaltschwelle des Komparators (3) erreicht und den zum Zeitpunkt des Interrupts eingestellten Wert des Tastverhältnisses zu registrieren, insbesondere zu speichern, und anhand des registrierten Werts des Tastverhältnisses den aktuellen Messwert der Messgröße zu ermitteln.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 13, wobei die Steuerelektronik (1) dazu ausgestaltet ist, anhand des registrierten Werts des Tastverhältnisses den unteren Tastverhältnisgrenzwert und/oder den oberen Tastverhältnisgrenzwert festzulegen.
Sensor, insbesondere Temperatursensor, Dehnungssensor, Drucksensor, Leitfähigkeitssensor oder elektrochemischer Sensor, umfassend eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Sensor nach Anspruch 15, weiter umfassend einen Messaufnehmer zur Erfassung einer von der mittels der Schaltungsanordnung erfassbaren Messgröße verschiedenen Hauptmessgröße, wobei die mittels der Schaltungsanordnung erfassbare Messgröße als Nebenmessgröße des Sensors, insbesondere zur Ermittlung von Messwerten der Hauptmessgröße, dient.