DE1616049B2 - CIRCUIT FOR CONVERTING A PHYSICAL MEASUREMENT VARIABLE SHOWN AS A CHANGE IN ELECTRICAL RESISTANCE INTO A CURRENT PROPORTIONAL IN THE REVERSE OF THIS - Google Patents
CIRCUIT FOR CONVERTING A PHYSICAL MEASUREMENT VARIABLE SHOWN AS A CHANGE IN ELECTRICAL RESISTANCE INTO A CURRENT PROPORTIONAL IN THE REVERSE OF THISInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Umwandeln einer als elektrische Widerstandsänderung abgebildeten physikalischen Meßgröße, insbesondere der Temperatur, in einen dieser umgekehrt proportionalen Strom.The present invention relates to a circuit for converting a change in electrical resistance depicted physical measured variable, in particular the temperature, reversed into one of these proportional current.
Es sind eine Vielzahl von Schaltungen bekannt, bei welchen eine als elektrische Widerstandsänderung abgebildete physikalische Meßgröße in einen dieser proportionalen Strom umgewandelt wird. Dabei wird beispielsweise von Wheatstoneschen Brückenschaltungen Gebrauch gemacht, bei welchen an Stelle von einem oder zweien der vier üblichen Widerstände eine Quelle bekannter Gleichspannung oder eine konstant beleuchtete Fotozelle treten kann (deutsche Patentschrift 677 631). Weiterhin wird auch von einem in die Schaltung eingeschalteten Verstärker Gebrauch gemacht, bei welchem dessen Ausgangsstrom als Abbild der Meßgröße ausgenutzt wird (sowjetische Patentschrift 150 170).A variety of circuits are known in which one as an electrical resistance change The physical measured variable shown is converted into one of these proportional currents. It will for example, made use of Wheatstone bridge circuits, in which instead of a source of known DC voltage or a constant one or two of the four common resistors illuminated photocell can occur (German patent specification 677 631). Furthermore, an in the circuit made use of switched-on amplifier, in which its output current as Image of the measured variable is exploited (Soviet patent specification 150 170).
In vielen Anwendungsfällen ist es jedoch erwünscht, die als elektrische Widerstandsänderung abgebildete Meßgröße in einen dieser umgekehrt proportionalen Strom umzuwandeln, so daß eine lineare Abhängigkeit erhalten wird. Das erleichtert vielfach eine Auswertung und Weiterverarbeitung der Meßdaten. Bisher wurden für eine solche Umwandlung häufig Umrechnungstabellen benötigt. Anwendungsgebiet für eine direkte Umwandlung in die inverse Funktion ergeben sich bei vielen mathematischen und Computer-Systemen. Die Umwandlung in eine inverse Funktion ist speziell dort erwünscht, wo die als Widerstandsänderung abgebildete physikalische Meßgröße in nichtlinearer Funktion anfällt, wie z. B. bei einem Thermistor, dessen Widerstand sich mit der Temperatur nicht linear ändert. Falls die Erfassung der Meßgröße mit Hilfe der Null-Methode geschehen soll, mußte bisher die Nachregelung zur Abgleichung ebenfalls nichtlinear verlaufen, was einen Regelwiderstand mit spezieller nichtlinearer Charakteristik erforderte.In many applications, however, it is desirable to have the change in electrical resistance shown Convert the measured variable into one of these inversely proportional currents, so that a linear dependence is obtained. This often facilitates an evaluation and further processing of the measurement data. So far have been conversion tables are often required for such a conversion. Area of application for a direct Conversion to the inverse function occurs in many mathematical and computer systems. the Conversion into an inverse function is particularly desirable where the change in resistance physical measured variable shown in a non-linear function, such as B. a thermistor, whose resistance does not change linearly with temperature. If the acquisition of the measured variable with With the help of the zero method, the readjustment for the adjustment had to be carried out nonlinearly so far, which has a variable resistor special non-linear characteristic required.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Schaltung zur Umwandlung einer als elektrische Widerstandsänderung abgebildeten physikalischen Meßgröße in einen dieser umgekehrt proportionalen Strom zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine aus vier Widerstandszweigen bestehende, von ihrer Ausgangs- auf ihre Eingangsdiagonale über einen Verstärker im Sinne einer Selbstabgleichung rückgekoppelte Brückenschaltung verwendet wird, in deren den Widerstandsumformer für die Meßgröße enthaltenden Zweig in Reihe zu dem Widerstandsumformer eine Quelle konstanter Gleichspannung eingeschaltet ist und bei der der Verstärkerausgangsstrom die umgewandelte Meßgröße darstellt.The object of the invention is to provide a simple circuit for converting a change in electrical resistance mapped physical measured variable into one of these inversely proportional current create. This object is achieved according to the invention in that one of four resistance branches existing, from their output to their input diagonal via an amplifier in the sense of a Self-balancing feedback bridge circuit is used in which the resistance converter a source of constant direct voltage for the branch containing the measured variable in series with the resistance converter is switched on and in which the amplifier output current represents the converted measured variable.
Die erfindungsgemäße Brückenschaltung kann eine Servoeinrichtung zur Erfassung von Positionsdaten aufweisen, welche eine Funktion des Verhältnisses zwischen einer Bezugsspannung und einem gemessenen Strom darstellen, wobei diese Positionsdaten zur Angabe einer veränderlichen zu messenden Größe, z. B. des veränderlichen Widerstands eines Thermistors, wenn dieser veränderlichen Temperaturbedingungen unterworfen wird, kalibriert werden können.The bridge circuit according to the invention can be a servo device for acquiring position data which is a function of the relationship between a reference voltage and a measured one Represent current, with these position data indicating a variable quantity to be measured, z. B. the variable resistance of a thermistor when these variable temperature conditions can be calibrated.
Weitere Merkmale der Erfindung und deren Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor. Hierbei zeigenFurther features of the invention and its advantages can be found in the following description in conjunction with the drawings. Show here
Fig. 1 bis 4 Schaltdiagramme von nach dem bekannten Stand der Technik verwendeten Brückenschaltungen, 1 to 4 are circuit diagrams of bridge circuits used according to the known prior art,
F i g. 5 ein Schaltdiagramm eines Brückenkreises, der die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt,F i g. Figure 5 is a circuit diagram of a bridge circuit embodying the basic principles of the present invention represents
F i g. 6 eine Abänderung der Brückenschaltung nach F i g. 5, einschließlich eines Zweiges zur Aufrechterhaltung des Abgleichs undF i g. 6 shows a modification of the bridge circuit according to FIG. 5, including a branch to maintain of the comparison and
F i g. 7 ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brückenkreises, einschließlich einer Servoeinrichtung.F i g. 7 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of a bridge circuit according to the invention; including a servo device.
ίο Bekanntlich wird zur Beibehaltung eines Brückenabgleichs bzw. des Nullzustandes vielfach ein Nachregelungselement verwendet. Das Nachregelungs- ' element kann in der in F i g. 2 bis 4 gezeigten und nachfolgend näher beschriebenen Form ausgebildet sein.ίο As is well known, a bridge adjustment is to be retained or the zero state, a readjustment element is often used. The readjustment ' element can be used in the in FIG. 2 to 4 and described in more detail below be.
In F i g. 1 bilden die Widerstände R1, R2, R3 und R4. jeweils einen Brückenzweig. In Reihe mit den Widerständen R3 und R4. ist z. B. eine Fühlereinrichtung geschaltet, mit z. B. einem Thermistor, dessen Widerstand Rx ist. Der Leitungswiderstand des Thermistors sei RL; wenn der Widerstand der Thermistorzuführung in bezug auf den zu messenden Widerstand des Thermistors groß ist, wird noch ein dritter Widerstand RL vorgesehen, um gleiche Ströme in den beiden Hälften der Brücke zu erhalten, wenn letztere abgeglichen ist. Der zwischen den Anschlüssen 10 und 11 in F i g. 1 bis 3 fließende Strom soll nun gewünschtermaßen zu der Widerstandsänderung des beispielsweise Thermistors entgegengesetzt sein. Ferner sollen durch das Nachregelelement in F i g. 2 bis 4 die Ausgangspunkte E1 und E2 für alle Veränderungen des Widerstandes des Thermistors auf Null gehalten werden.In Fig. 1 form the resistors R 1 , R 2 , R 3 and R 4 . one bridge branch each. In series with resistors R 3 and R 4 . is z. B. switched a sensor device, with z. B. a thermistor whose resistance is R x . Let the line resistance of the thermistor be R L ; if the resistance of the thermistor feed is high in relation to the resistance of the thermistor to be measured, a third resistor R L is provided in order to obtain equal currents in the two halves of the bridge when the latter is balanced. The between the terminals 10 and 11 in F i g. 1 to 3 flowing current should now, as desired, be opposite to the change in resistance of the thermistor, for example. Furthermore, the readjustment element in FIG. 2 to 4 the starting points E 1 and E 2 are kept at zero for all changes in the resistance of the thermistor.
Die Brückenschaltungen in F i g. 2, 3 und 4 sind denen in Fig. 1 ähnlich mit der Ausnahme, daß in F i g. 2 der Widerstand R4. durch einen variablen WiderstandP4. ersetzt ist; in Fig. 3 ist der Widerstand R3 durch den Widerstand P3 ersetzt, und in F i g. 4 ist der Widerstand R3 durch die variablen Widerstände P1 und P2 ersetzt.The bridge circuits in FIG. 2, 3 and 4 are similar to those in FIG. 1 except that in FIG. 2 the resistor R 4 . through a variable resistor P 4 . is replaced; in FIG. 3 the resistor R 3 is replaced by the resistor P 3 , and in FIG. 4, the resistor R 3 is replaced by the variable resistors P 1 and P 2 .
In Fig. 2 wird die Nachregelung durch einen variablen Widerstand P4. im Meßzweig erreicht," dessen Widerstandsänderung dann zur Widerstandsänderung des Thermistors komplementär ist.In Fig. 2, the readjustment is carried out by a variable resistor P 4 . reached in the measuring branch, "whose change in resistance is then complementary to the change in resistance of the thermistor.
In F i g. 3 ist der variable Widerstand P3 in der entgegengesetzten Position zu der in F i g. 2 dargestellten Lage angeordnet, wodurch dann die Änderung des Widerstandes P3 der Widerstandsänderung des Thermistors entspricht.In Fig. 3, the variable resistor P 3 is in the opposite position to that in FIG. 2 is arranged, whereby the change in resistance P 3 then corresponds to the change in resistance of the thermistor.
In F i g. 4 werden zwei gleichlaufende veränderbare Widerstände P1 und P2 dazu verwendet, wobei P1 den Strom in beiden Brückenhälften gleichhält, und der veränderbare Widerstand P2 dazu dient, die Brücke abzugleichen und die Ausgangsspannungen E1 und E2 auf Null zu halten. Wenn, wie bei einem Thermistor, der zu messende Widerstand eine nichtlineare Funktion einer variablen Größe ist (der Widerstand in einem Thermistor ist eine nicht lineare Funktion der Temperatur), dann muß die Nachregelung auch nichtlinear sein, damit sich eine lineare Ausgangsspannung ergibt.In Fig. 4, two variable resistors P 1 and P 2 running in the same direction are used, where P 1 keeps the current in both bridge halves the same, and the variable resistor P 2 serves to balance the bridge and keep the output voltages E 1 and E 2 at zero. If, as in the case of a thermistor, the resistance to be measured is a non-linear function of a variable quantity (the resistance in a thermistor is a non-linear function of temperature), the readjustment must also be non-linear in order to produce a linear output voltage.
Wird nun der Thermistor dazu verwendet, eine Temperatur über einen Bereich von 50° F (= 100C) oder mehr zu messen, so ergeben sich bei den Schaltungen nach Fig. 1 bis 4 folgende Schwierigkeiten:If the thermistor is now used to measure a temperature over a range of 50 ° F (= 10 0 C) or more, the following difficulties arise with the circuits according to FIGS. 1 to 4:
Die Änderung des Widerstandes eines Rheostaten,The change in the resistance of a rheostat,
wie er in F i g. 2 und 3 verwendet wird, führt ein Kontaktrauschen direkt in die Nachregelung ein.as shown in FIG. 2 and 3 is used, a contact noise is introduced directly into the readjustment.
Änderungen in der Neigung der Widerstands-Temperaturkurve werden weiterhin direkt als Verstärkungsänderung in den dem Ausgang der Brücke nachgeschaltenen Verstärker eingeführt. Außerdem ist ein nichtlinearer Regelwiderstand oder ein parallelgeschalteter Regelwiderstand erforderlich.Changes in the slope of the resistance-temperature curve are still directly as a gain change in the downstream of the output of the bridge Amplifier introduced. In addition, there is a non-linear variable resistor or one connected in parallel Rheostat required.
In F i g. 4 können die gleichlaufenden Potentiometer ein direktes Kontaktrauschen erzeugen, das auf die Stromregelung der Brückenschaltung nachteilig einwirken kann. Auch ist die Verstärkungsregelung gleichlaufender Potentiometer begrenzt. Außerdem ist, vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet, die Verwendung eines Paars gleichlaufender, nichtlinearer Potentiometer unerwünscht. In Fig. 4, the potentiometers running in the same direction can generate a direct contact noise that affects the Current regulation of the bridge circuit can have a detrimental effect. Also is the gain control parallel potentiometer limited. In addition, from an economic point of view, the use of a pair of synchronous, non-linear potentiometers is undesirable.
Erfindungsgemäß werden die vorerwähnten Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß eine feste Spannung in einen der Zweige einer üblichen Brücke der gezeigten Art, wie z. B. in F i g. 1, eingeführt wird. Durch die Einführung einer derartigen Festspannung ist es möglich, den Widerstand des Thermistors dadurch zu bestimmen, daß der in der Brücke fließende Strom bestimmt wird, ohne dabei auf die geschilderten Nachregelungselemente zurückgreifen zu müssen. Der Grund hierfür geht eindeutig aus der folgenden Analyse hervor.According to the present invention, the aforementioned difficulties become thereby avoiding a fixed tension in one of the branches of a conventional bridge of the one shown Kind of like B. in Fig. 1, is introduced. By introducing such a fixed voltage, it is possible to determine the resistance of the thermistor by the current flowing in the bridge is determined without having to resort to the described readjustment elements. Of the The reason for this is clear from the following analysis.
Der derzeitige Stand der Festkörperbetriebsverstärker läßt es vom wirtschaftlichen Standpunkt aus wünschenswert erscheinen, die gemessene VariableThe current state of solid state operational amplifiers leaves it out from an economic point of view appear desirable to the measured variable
gleich der Funktion X = K·-^-, oder wenigstensequal to the function X = K · - ^ -, or at least
beinahe gleich dieser Funktion zu machen, wobei K eine Konstante und Rx der Widerstand ist, dessen Wert zu bestimmen ist. Wird ein Thermistor verwendet, so kann ein (nicht gezeigter) Widerstand Rs parallel zu dem Thermistor geschaltet werden, damit innerhalb des Meßbereichs die Nichtlinearität vom linaren Verlauf nur um wenige Prozent abweicht.almost equal to this function, where K is a constant and R x is the resistance whose value is to be determined. If a thermistor is used, a resistor R s (not shown) can be connected in parallel to the thermistor so that the non-linearity deviates from the linear curve by only a few percent within the measuring range.
Es wurde nun festgestellt, daß durch Einführen einer Festspannung Ere, in einen Zweig einer Brücke ein Meßkreis gebildet wird, mit dem es möglich ist, den Reziprokwert eines Widerstandes zu erhalten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der die Brücke durchströmende Strom verändert wird, bis ein Abgleich erreicht ist, wobei die beiden Hälften der Brücke gleichen Strom aufweisen. Eine derartige Veränderung des Stromes kann durch die in F i g. 6 gezeigte, später beschriebene Anordnung erreicht werden. Zunächst sei jedoch unter Bezug auf F i g. 5 das folgende ausgeführt:It has now been found that, by introducing a fixed voltage E re , into a branch of a bridge, a measuring circuit is formed with which it is possible to obtain the reciprocal value of a resistance. This can be achieved in that the current flowing through the bridge is changed until an adjustment is achieved, the two halves of the bridge having the same current. Such a change in the current can be achieved by the in FIG. 6 and described later can be achieved. First, however, with reference to FIG. 5 performed the following:
Es wird angenommen, die Brückenausgangsspannung E1 — E2 = 0, d. h., die Brücke ist abgeglichen. Wenn R1 = R2, dann muß der Brückenstrom / in R1 und R2 gleich sein, damit £, — E2 = 0 ist.It is assumed that the bridge output voltage E 1 - E 2 = 0, ie the bridge is balanced. If R 1 = R 2 , then the bridge current / in R 1 and R 2 must be the same so that £, - E 2 = 0.
Man kann dann folgende Gleichungen aufstellen:The following equations can then be set up:
beschriebenen Ausführungsbeispiel. Durch Verwendung einer Festbezugsspannung Ere, wird daher eine abgeglichene Brücke mit Leitungskompensation erreicht, wobei der variable Strom als neue Abgleichgröße verwendet wird. Um diese Brücke zu verwenden, mußdescribed embodiment. By using a fixed reference voltage E re , a balanced bridge with line compensation is achieved, with the variable current being used as the new adjustment variable. To use this bridge you must
1. der Abgleich beibehalten werden,1. the comparison is retained,
2. der Strom bestimmt werden.2. The current can be determined.
Zur Beibehaltung des Abgleichs kann die Größe E1 — E2 einem Betriebsverstärker mit Differenzeingang
zugeführt werden (F i g. 6). Der Ausgangsstrom des Verstärkers ergibt den Speisestrom für die Brücke.
Der Eingang zu dem Verstärker ist so geschaltet, daß sich eine negative Rückkoppelung (Nachregelung)
ergibt. Wenn die Verstärkung des Verstärkers groß genug ist, ist E1 — E2 verschwindend klein, und der
Brückenausgleich wird damit beibehalten.
Es gilt:To maintain the adjustment, the variable E 1 -E 2 can be fed to an operational amplifier with a differential input (FIG. 6). The output current of the amplifier gives the supply current for the bridge. The input to the amplifier is connected in such a way that there is negative feedback (readjustment). If the gain of the amplifier is large enough, E 1 - E 2 will be infinitesimally small and the bridge balance is thus maintained.
The following applies:
J =J =
2£,£ 2,
refref
Rx R x
β _ 2Eref .Rl + β _ 2E ref . Rl +
1 — ρ τ 1 - ρ τ
Ri+RlRi + Rl
wenn A = Verstärkung:if A = gain:
1 — L2) = 1 - L 2 ) =
refref
wobei Eref die Bezugsspannung, Rx der Widerstand des Thermistors, R1 der Widerstandswert einer der Brückenzweige und RL der Widerstand der Thermistorleitung ist. Die Größe et ist die Spannung an den Eingangsklemmen der Brückenschaltung.where E ref is the reference voltage, R x is the resistance of the thermistor, R 1 is the resistance value of one of the bridge branches and R L is the resistance of the thermistor line. The variable e t is the voltage at the input terminals of the bridge circuit.
Zur Messung des Ausgangsstroms I kann nun selbstverständlich ein herkömmliches, potentiometrisches Servosystem verwendet werden und der Span-A conventional potentiometric servo system can of course be used to measure the output current I and the span
nungsabfall an einem im Verstärkerausgangskreisvoltage drop at one in the amplifier output circuit
eingeschalteten Festwiderstand abgenommen werden.switched on fixed resistor can be removed.
Es ist jedoch vorteilhafter, das Verhältnis desHowever, it is more advantageous to change the ratio of the
Ausgangsstroms in Abhängigkeit von Ere/ zu erhalten,Output current as a function of E re / to be obtained,
was folgendermaßen bewirkt werden kann:which can be done as follows:
Gleichung (1) war:Equation (1) was:
2Ere 2E re
E1 = E2 E 1 = E 2
y IRL = y IR, + i- IRx - En, y IR L = y IR, + i- IR x - E n ,
K1 K 1
Wenn der Abfall in einem Brückenzweig mit Ere,
verglichen wird, kann das Verhältnis der beiden bestimmt werden. 1
Mit — IR2 If the drop in a bridge leg is compared to E re , the ratio of the two can be determined. 1
With - IR 2
wobei r eine Verhältniszahl ist und .R2 der Widerstand eines Brückenzweiges,where r is a ratio and .R 2 is the resistance of a bridge branch,
y /R2 = f En, ,y / R 2 = f E n,,
Der Strom / ist damit umgekehrt proportional zu Rx bzw. dem Widerstand des Thermistors in dem eingesetzt in (2), ergibt sich:The current / is thus inversely proportional to R x or the resistance of the thermistor in the one inserted in (2), results in:
_L -R~ _L - R ~
Man sieht, daß -^- , was als praktisch lineareOne sees that - ^ - what is called practically linear
Funktion von T (Umgebungstemperatur) von Interesse ist, direkt proportional zu r ist, und auch unabhängig von Ere/. Function of T (ambient temperature) is of interest, is directly proportional to r , and also independent of E re / .
Gleichung (3) kann schaltungstechnisch sehr einfach realisiert werden, wie in F i g. 7 gezeigt, wo das Potentiometer P1 ein Verhältnis R für" £ iusgJEref besitzt.Equation (3) can be implemented very easily in terms of circuitry, as shown in FIG. 7, where the potentiometer P 1 has a ratio R for "£ iusg JE ref .
P1 wird über den Servodifferenzverstärker S vom Servomotor M betätigt bis zum Abgleich, wobei dann die Stellung des Potentiometers P1 eine Anzeige für die Verhältniszahl r darstellt, die wiederum ein MaßP 1 is actuated by the servo motor M via the differential servo amplifier S until the adjustment is carried out, the position of the potentiometer P 1 then being an indicator for the ratio r , which in turn is a measure
für die gesuchte Größe -=- ist.for the required size - = - is.
Kx K x
Für den Abgleich des Servodifferenzverstärkers gilt dann:The following then applies to the adjustment of the servo differential amplifier:
γ R2 =r£, γ R 2 = r £,
re/>re />
2020th
was der Gleichung (3) entspricht.which corresponds to equation (3).
Der Schaltkreis in F i g. 7 besitzt also folgende Merkmale:The circuit in FIG. 7 has the following characteristics:
1. Die Stellung des Potentiometers P1 ist eine Anzeige für die Verhältniszahl r, die ein Maß für1. The position of the potentiometer P 1 is an indicator for the ratio r, which is a measure for
die gesuchte Größe -^- ist.the size you are looking for is - ^ -.
2. Die Servoverstärkung ist ebenso linear wie die Funktion r. 2. The servo gain is just as linear as the function r.
3. Eref ist nicht kritisch und beeinflußt nur die Verstärkung des Systems.3. E ref is not critical and only affects the gain of the system.
4. Die Spannung an der Unbekannten Rx ist konstant, was dort von Interesse sein kann, wo Isolationsverluste der Leitungsdrähte von der Größe der Spannung oder der Polarität abhängen. 4. The voltage at the unknown R x is constant, which can be of interest where insulation losses of the line wires depend on the magnitude of the voltage or the polarity.
Claims (2)
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Legal Events
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---|---|---|---|
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SIPPICAN OCEAN SYSTEMS, INC., MARION, MASS., US |
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