DE1498234B2 - Digital anzeigegeraet zur messung eines parameters insbe sondere der temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Digital-Anzeigegerät zur Messung eines - Parameters, mit einer Einrichtung, deren Widerstand als Funktion dieses Parameters in nicht linearer Weise variabel ist, ein nachgleichendes Brücken-Netzwerk, welches die genannten Einrichtungen sowie ein Potentiometer mit linearer Kennlinie enthält, das ein bewegliches Element und Ausgangsklemmen aufweist, eine Spannungsquelle für dieses Netzwerk, Einrichtungen zum Abtasten einer ersten Spannung an den erstgenannten Einrichtungen und einer zweiten Spannung zwischen einer Ausgangsklemme des Potentiometers und dem beweglichen Element, mit einem Servoverstärker, welcher das Nachgleichs-Signal des Brückennetzwerks verstärkt dem beweglichen Element zum Abgleich des Brückennetzwerks zuführt und gleichzeitig einer Digitalanzeige, welche in Werten des genannten Parameters geeicht ist, wobei ein Teil des Nachgleichnetzwerks, welches die erstgenannten Einrichtungen enthält, eine Spannungskennlinie als Funktion des Parameters aufweist.

Digitale Anzeigegeräte sind beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift 1 134 209 bekannt.

Das erfindungsgemäße Anzeigegerät verwendet eine nullabgleichende Wheatstonesche Brückenschaltung. Einer der Widerstandsarme der Brücke spricht auf den zu messenden Parameter, wie die Temperatur, an. Wenn sich der Parameter ändert, ändert sich auch der Widerstand dieses Meßwertumformer-Arms, um eine Unsymmetrie der Brücke hervorzurufen. Diese Unsymmetrie wird durch einen Servorverstärker nachgewiesen, wie er in der USA.-Patentschrift 3 408 568 beschrieben ist. Der Servoverstärker arbeitet so, daß er das Verhältnis der Brückenarme verändert, um die Symmetrie der Brücke wieder herzustellen, d. h. das Verhältnis der festen Widerstände, und gleichzeitig treibt derselbe einen Zähler an, um die Anzahl von Drehungen zu messen, welche er zur Wiederherstellung der Symmetrie der Brücke benötigt.

Die Symmetrie der Brücke wird durch eine Potentiometerschaltung wiederhergestellt, welche mechanisch mit einem Drehzähler gekoppelt ist. Daher besteht für einen bestimmten Wert des Parameters eine bestimmte Drehstellung des Zählers, welche demselben entspricht.

Wenn das Potentiometer nichtlinear ausgelegt ist, so daß es der Temperatur-Widerstands-Kennlinie des Abtasters oder Meßwertumformers folgt, dann zeigt der Zähler direkt den zu messenden Parameter, z. B. die Temperatur an, vorausgesetzt natürlich, daß das Getriebe, welches das Potentiometer mit dem Zähler verbindet, eine geeignete Übersetzung hat, welche der gewünschten Temperaturspanne entspricht. Bekanntlich ändert sich bei Verwendung von Thermistoren der Widerstand des Thermistors mit Temperaturänderungen sehr stark. Eine Brücke, welche einen Thermistor verwendet, hat keine konstante Empfindlichkeit, da für einen gegebenen Zuwachs der Temperaturänderung kein gleichförmiger Zuwachs des von der Brücke erzeugten Fehlersignals entsteht, mit dem die Servoeinrichtung anzutreiben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das zur Erzielung einer konstanten Empfindlichkeit über dem Meßbereich vorgesehene Funktionsformernetzwerk besonders einfach auszubilden und dabei die Verwendung von verhältnismäßig teueren Funktionspotentiometern unnötig zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mit dem Potentiometer mit linearer Kennlinie ., verbundenes Funktionsformernetzwerk eine Anzahl von festen Widerständen aufweist, die an vorgegebenen Potentiometerabschnitten liegen, und eine enge Annäherung der Ausgangskennlinie des Potentiometers an die Kennlinie der erstgenannten Einrichtung ermöglicht.

Als Folge der erfindungsgemäßen Ausbildung kann ein verhältnismäßig billiges, lineares Potentiometer

ίο verwendet werden, wobei eine nichtlineare Funktion aus dem linearen Potentiometer erhalten wird. Dabei hat sich herausgestellt, daß zwar gewöhnlich zu erwarten ist, daß das Verhältnis des Temperaturzuwachses zum Zuwachs des von der Brücke erzeugten Fehlersignals in der Größenordnung von 100:1 liegt, daß jedoch durch die erfindungsgemäße Ausbildung dieses Verhältnis auf nur etwa 2,5 : 1 vermindert werden kann.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltschema, in welchem das erfindungsgemäße Digitalmeßgerät schematisch dargestellt ist,

Fig. 2 ein elektrisches Verdrahtungs-Schaltbild des erfindungsgemäßen Digitalmeßgeräts und

F i g. 3 eine graphische Darstellung, in welcher die Spannung gegen die Temperatur aufgetragen ist, ausgedrückt in Prozent des vorkommenden Bereiches.
Der Servoverstärker 20, der Servomotor 21, die Digitalanzeige 22 und das Rädergetriebe gemäß Fig. 1 sind aus der vorausgehend erwähnten USA.-Patentschrift bekannt. Die Brücke enthält den Thermistor 13 und den Widerstand 12 als eine Seite der Brücke und den Widerstand 14 und 15 als die andere Seite der Brücke. Beide Seiten der Brücke sind bei 3 gemeinsam geerdet und haben bei 2 einen Ausgang, welcher proportional zur Temperatur ist. Ein weiterer Ausgang bei 5 ist proportional zur Stellung des Potentiometers 16 und ist außerdem proportional zur Stellung der Digitalanzeige 22, da die letztere mit": dem Potentiometer durch das Rädergetriebe 23 und eine zugehörige mechanische Kupplung gekoppelt ist. 1 ist eine Spannungsquelle für beide Seiten der Brücke. Der Ausgang an der Stelle 2 ist eine nichtlineare Funktion der Temperatur, d. h., bei niedrigen Temperaturen ist der Ausgang ein sehr hoher Spannungswert. Wenn sich die Temperatur erhöht, steigt der Ausgang bei 2 ebenfalls, wenn der Abtaster ein Meßwertumformer mit positivem Temperaturkoeffizienten ist, oder er kann abfallen, wenn der Abtaster ein Meßwertumformer mit negativem Temperaturkoeffizienten ist. Daher verändert sich der Ausgang bei 2 in nichtlineater Weise in Abhängigkeit von der Charakteristik des Temperaturumformers 13.

Der Wert des Widerstands 12 bestimmt die Form der Kurve, welche als Spannung am Punkt 2 gegen die Temperatur aufgetragen ist (s. Fig. 3). Wenn der Widerstand 12 gleich dem Widerstand 13 bei einer gegebenen Temperatur ist, dann ist die Spannung bei 2 bei dieser Temperatur gleich der halben Spannung zwischen den Verbindungsstellen 3 und 4. Daher stellt diese bei anderen Temperaturwerten einen anderen Spannungswert dar. Es ist daher durch geeignete Wahl des Wertes des Widerstands 12 in bezug auf den Widerstand des Umformers 13 zu ermöglichen, daß die Spannung bei 2 eine S-Kurve mit gleichen und geringen Abweichungen von der Linearität annähert, wie in F i g. 3 gezeigt. Dies führt zu einer

maximalen Linearität, welche unter Verwendung von normalen Komponenten erzielt werden kann. Die Erfindung sieht Einrichtungen vor, welche sicherstellen, daß der Spannungsausgang bei 5 genau der gleichen Kurve folgt. Daher wird die Temperatureinstellung des Potentiometers 16 entsprechend der am Thermistor 13 abgetasteten unbekannten Temperatur eingestellt, und daher entspricht auch die Temperaturanzeige bei 22 der abgetasteten unbekannten Temperatur.

Der Unterschied zwischen der Spannung bei 2 und der Spannung bei 5 wird durch den Zerhacker-Komparator 24 gemessen, dessen Wirkungsweise in bezug auf den Servoverstärker 20 usw. in der genannten USA.-Patentanmeldung näher erläutert ist. Der Zerhackerkomparator erzeugt ein Signal, welches auf den Servomotor 21 durch den Verstärker 20 übertragen wird, um das Potentiometer 16 in eine solche Stellung einzustellen, daß die Brücke wieder abgeglichen wird, d. h., daß die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 2 und 5 Null wird. Infolge der Anwesenheit des Funktions-Formernetzwerks 17 erhält man an der Anzeige 22 eine lineare Ablesung, obwohl das Potentiometer eine lineare Vorrichtung und der Ausgang bei 2 nichtlinear ist.

Die Widerstände 14 und 15 sind so gewählt, daß sie die Endpunkte des Temperaturbereichs des Gerätes ergeben. Ihr Widerstandswert ist in bezug auf das Potentiometer so gewählt, daß in einer Endstellung des Potentiometers der Widerstand 14 beispielsweise so eingestellt ist, daß die Anzeige 22 den unteren Temperaturendpunkt anzeigt, und daß in der anderen Endstellung des Potentiometers der Widerstand 15 so eingestellt ist, daß die Anzeige 22 den oberen Temperaturendpunkt anzeigt.

Bekanntlich ändert ein Thermistor seinen Widerstand in einem Temperaturbereich stark, so daß er die Gesamtimpedanz der Brücke ändert. Der Widerstand 11 und der zusammengesetzte Widerstand der Brücke können daher als zwei Widerstände in einem Teilernetzwerk betrachtet werden und die Spannung an der Verbindungsstelle derselben, d. h. bei 4, lindert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Da Thermistoren eine hohe Empfindlichkeit und einen hohen Widerstand bei tiefen Temperaturen besitzen, d. h., wenn sie Wandler mit negativem Temperaturkoeffizienten sind, kann der Wert des Widerstands 11 so gewählt werden, daß bei tiefer Temperatur bei 4 eine hohe Spannung auftritt. Es ist weiter erwünscht, dem Widerstand 12 einen solchen Wert zu geben, daß der Widerstand des Thermistors in der Mitte des Temperaturbereichs angenähert wird. Auf diese Weise werden im Fehlersignal enthaltene Änderungen in bezug auf eine Temperaturänderung minimal gemacht, und es wird das optimale Fehlersignal je Temperaturschritt aus dem Netzwerk 11,12,13, erhalten.

Für die nachfolgende Beschreibung wird das Netzwerk 11, 12, 13 als Temperaturabtastteil der Brücke bezeichnet und der Rest der Brücke kann als Funktions-Formerteil der Brücke bezeichnet werden. Wie oben angegeben, gibt es zwei Arten, auf welche eine Änderung der Funktion des Potentiometers bewirkt werden kann. Ein Verfahren besteht darin, ein besonders ausgebildetes Funktionspotentiometer bei jedem Thermistor zu verwenden, welches so ausgebildet ist, daß es der Spannungs-Temperatur-Kurve (F i g. 3) dieses Thermistors 13 folgt. Solche Funktions-Potentiometer sind nicht wirtschaftlich. Das zweite Verfahren besteht darin, eine Einrichtung wie das erfindungsgemäße Funktions-Formernetzwerk an Abgriffe des Potentiometers anzuschließen. Das Netzwerk dient dazu, einen Spannungsausgang zu erzeugen, welcher auf die Einstellung des Potentiometers bezogen ist. Das im erfindungsgemäßen Anzeigegerät verwendete Funktionsformernetzwerk enthält eine Reihe von festen Widerständen außerhalb des Potentiometers, welche jedoch mit verschiedenen Abgriffen am Potentiometer verbunden sind." Die Abgriffstellen sind als die Stellen bestimmt, an welchen die Kurve ihre Richtung ändert. Dadurch wird erreicht, daß der Ausgang des Potentiometers die geforderte Funktion mittels geradliniger Annäherungen an die gewünschte S-Kurve annähert. Wenn der von dem Gerät zu messende Temperaturbereich größer wird, wird die Anzahl der erforderlichen festen Widerstände, um die Annäherung der S-Kurve zu erzielen, unzweckmäßig groß, so daß es unter Umständen wirtschaftlicher sein kann, ein Funktionspotentiometer zu verwenden.

Wie oben angegeben, wird erfindungsgemäß eine einstellende oder nullabgleichende und nachgleichende Brücke anstatt einer Brücke mit einer Ausgangsspannung verwendet, welche mittels eines nichtlinearen Potentiometers in einen Temperaturwert umgeformt wird. Im letzteren Fall müßte die Bezugsspannung 1 sehr genau sein. Durch Anwendung des Brückenabgleichverfahrens muß die Spannungsquelle 1 nicht genau sein noch muß sie stabil bleiben, da sie nur das Fehlersignal und nicht das Verhältnis der Widerstände in der Brücke beeinflußt. Das Verhältnis und daher die Temperaturanzeige hängt hauptsächlich von den Widerstandswerten der Brücke ab, für welche Präzisionswiderstände leicht und wirtschaftlich erhältlich sind.

Die Brückenspannung wird an der Spannungsquelle für den Servoverstärker bei 1 abgegriffen. Der Temperaturabtastteil der Brücke enthält die Widerstände 11 und 12 zusammen mit der Temperatursonde oder dem Thermistor 13, welcher als Mehrzahl von Buchsen dargestellt ist, in die eine von vier Temperatursonden gesteckt werden kann, um einen bis vier Temperaturpunkte mit dem gleichen Gerät abzutasten. Der temperaturempfindliche Ausgang der Brücke tritt an der Verbindungsstelle 2 auf und wird über die Leitung 27 auf eine Seite 28 des Zerhacker-Komparators 24 gegeben. Die andere Seite des Zerhackers wird durch den Ausgang des Potentiometers 16 an der Verbindungsstelle 5 gespeist. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist der bewegliche Arm des Potentiometers 16 mechanisch angekuppelt, so daß er durch den Servomotor 21 angetrieben wird.

Das in F i g. 2 dargestellte Potentiometer 16 ist ein lineares Potentiometer, welches durch die Reihe von festen Widerständen 41, 42 und 43 nichtlinear gemacht wird, die mit den Abgriffen 50, 51, 52 und 53 des Potentiometers 16 verbunden sind, um ein Funktions-Formernetzwerk zu bilden.

Die zwei Endpunkte des Temperaturbereichs werden durch die Widerstandsnetzwerke 14, 54 und 15, 55 voreingestellt, wobei die Widerstände 54 und 55 zu Eichzwecken einstellbar sind. Die Widerstände 45 und 46 sind als Zweifach-Potentiometer dargestellt, was eine Verschiebung des Temperaturbereichs des Gerätes nach oben oder unten um einen festen Betrag ermöglicht, so daß irgendwelche geringen Effekte infolge von Rauschen usw., welche im Gerät auftreten können, ausgeschaltet werden können.

Bei Betrieb wird das Gerät zuerst durch Einstellen des Schalters 31 in die Stellung B geeicht, wie in F i g. 2 gezeigt. In dieser Stellung sind die Temperaturumformer 13 aus dem Kreis ausgeschaltet und ein bekannter, sehr genau gewählter Widerstand 70 ist an deren Stelle eingeschaltet. Es ist zwar ein einziger Widerstand 70 dargestellt, es wird jedoch bemerkt, daß ein Dekaden-Widerstandskasten oder ein anderer mehrfacher oder einstellbarer Widerstand verwendet werden kann. Der Widerstand 70 wird so ge- ίο wählt, daß er einer bekannten Temperatur entspricht, welche in der vom Gerät zu messenden Temperaturspanne liegt. Die entsprechende Temperatur wird an der Vorderplatte des Geräts durch eine Digitalanzeige oder Ableseeinrichtung 22 digital angezeigt. Wenn die richtige Temperatur nicht angezeigt wird, dann werden die Widerstände 45 und 46 eingestellt, bis die richtige Ablesung erzielt ist.

Sodann werden die Temperatursonden in eine oder mehrere der Buchsen 13 eingesetzt und es wird am Schalter 31 die richtige Schalterstellung C, D, E oder F gewählt. Die sodann am Potentiometer 16 erhaltene Spannung tritt an der Verbindungsstelle 5 des Zerhacker-Komparators auf, und die an der Verbindungsstelle 2 auftretende Spannung wird auf die Verbindungsstelle 28 des Komparators 24 gegeben. Das erhaltene Fehler- oder Abweichsignal wird geeignet verstärkt und zum Antrieb des Servomotors 21 verwendet, welcher nicht nur die Digitalanzeige und das Rädergetriebe, sondern auch das bewegliche EIement des Potentiometers 16 antreibt. Diese Einstellung oder dieses Abgleichen des Potentiometers wird fortgesetzt, bis der Komparator 24 keine Signaldifferenz mehr feststellt, zu welchem Zeitpunkt die Digitalanzeige die genaue, durch die Thermistorsonden 13 abgetastete Temperatur anzeigt.

Ein Widerstand 66 wird zwischen den Potentiometerausgang und den Zerhackereingang geschaltet, um den Eingang in den Verstärker vor großen Spannungsdifferenzen zwischen den zwei Seiten der Brücke zu schützen. Der Widerstand 67 dient für eine ähnliche Wirkung und führt ebenfalls zu einem Rausch-Filternetzwerk 68.

Wie ausgeführt, erhält die Brücke ihre Spannung bei 1 von der Verstärker-Spannungsquelle, welche ein Wechselstromsignal darstellt. Dieses Signal wird durch einen einfachen Halbwellen-Gleichrichter 57 gleichgerichtet, welcher ebenfalls mit einem Filternetzwerk versehen ist, das aus dem Widerstand 48 und dem Kondensator 61 besteht und eine Filterung erster Ordnung der nunmehr pulsierenden Gleichspannung ergibt. Der Widerstand 49 wird als Vorwiderstand verwendet, um die Spannung an der Verbindungsstelle der Widerstände 48 und 49 auf den Wert der Zenerdiode63 zu vermindern. Dies dient zur weiteren Filterung und Regulierung der Spannung, so daß keine Wanderwellen am Ausgang der Zenerdicde63 auftreten. Der Kondensator 62 wird verwendet, um jede restliche Spur von Wechselstrombrumm oder -Welligkeit zu beseitigen, die aus der Spannungsquelle kommen kann, so daß auf die Brückenanschlüsse 3 und 4 eine sehr reine Gleichspannung gegeben wird, wobei kein anderes Fehlersignal als die Temperatur für den Verstärker und die Einstellung des Potentiometerschiebers verwendet wird.

Die Thermistoren 13 enthalten eine Reihe von Lastausgleichswiderständen 80, 81, 82 und 83, welche mit ihren zugehörigen Buchsen 90, 91, 92 und 93 zusammenarbeiten, so daß bei Entfernung der Umformersonde aus der Buchse der entsprechende Lastausgleichswiderstand an der Basis der Sonde in den Kreis geschaltet wird, um die Brücke vor einem Verlassen ihres Bereiches zu schützen.

Es wird bemerkt, daß verschiedene Abänderungen und andere Anordnungen von Teilen in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen. So kann ein anderes, dem Potentiometer 16 in F i g. 1 ähnliches Potentiometer, welches ein lineares Element aufweist, von der gleichen Welle und vom gleichen Rädergetriebe 23 wie das Potentiometer 16 angetrieben werden. Dadurch kann ein Spannungs- oder Widerstandsausgang aus dem Gerät erhalten werden, welcher linear proportional zur Temperatur ist, um einen Rückübertragungsausgang oder ein Zweitkanal-Signal zu erhalten, welches als Analogausgang zur Steuerung, Aufzeichnung oder zu anderen Zwecken verwendet werden kann.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Digital-Anzeigegerät zur Messung eines Parameters, mit einer Einrichtung, deren Widerstand als Funktion dieses Parameters in nicht linearer Weise variabel ist, ein nachgleichendes Brücken-Netzwerk, welches die genannten Einrichtungen sowie ein Potentiometer mit linearer Kennlinie enthält, das ein bewegliches Element und Ausgangsklemmen aufweist, eine Spannungsquelle für dieses Netzwerk, Einrichtungen zum Abtasten einer ersten Spannung an den erstgenannten Einrichtungen und einer zweiten Spannung zwischen einer Ausgangsklemme des Potentiometers und dem beweglichen Element, mit einem Servoverstärker, welcher das Nachgleichssignal des Brückennetzwerks verstärkt dem beweglichen Element zum Abgleich des Brückennetzwerks zuführt und gleichzeitig einer Digitalanzeige, welche in Werten des genannten Parameters geeicht ist, wobei ein Teil des Nachgleichnetzwerks, welches die erstgenannten Einrichtungen enthält, eine Spannungskennlinie als Funktion des Parameters aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Potentiometer (16) mit linearer Kennlinie verbundenes Funktionsformernetzwerk (17) eine Anzahl von festen Widerständen (41, 42, 43) aufweist, die an vorgegebenen Potentiometerabschnitten liegen, und eine enge Annäherung der Ausgangskennlinie des Potentiometers (16) an die Kennlinie der erstgenannten Einrichtung (12,13) ermöglicht.

2. Digital-Anzeigegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Widerstand (11) in Reihe zwischen der Spannungsquelle (1) und dem Brücken-Netzwerk (12, 13, 14, 15) liegt, um als Spannungsteiler in bezug auf den Gesamt-Widerstand des Netzwerks zu dienen, wobei der feste Widerstand so gewählt ist, daß Veränderungen des Werts des Parameters über den Bereich dieses Parameters minimal gemacht werden.

3. Digital-Anzeigegerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein zweites Potentiometer, welches so angeschlossen ist, daß es durch das Servomotorsystem (21) betätigt wird, um eine Einrichtung mit analogem Ausgang zu bilden, welcher sich als Funktion des gemessenen Werts des Parameters ändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen