DE1616049C - Schaltung zum Umwandeln einer als elektrische Widerstandsänderung abgebildeten physikalischen Meßgröße in einen dieser umgekehrt proportionalen Strom - Google Patents

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.

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).

In vielen Anwendungsfallen 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.

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.

Die erfindungsgemäße Brückenschaltung kann eine Servoeinrichtung'zur Erfassung von Positionsdafen 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.

Weitere Merkmale der Erfindung und deren Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor. Hierbei zeigen

F i g-. 1 bis 4 Schalldiagnimine von nach dem bekannten Stand der Technik verwendeten Brückenschaltungen,

F i g. 5 ein Schaltdiagramm eines Brückenkreises, der die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt,

F i g. 6 eine Abänderung der Brüekenschaltung nach F i g. 5, einschließlich eines Zweiges zur Aufrechterhaltung des Abgleichs und

Fig. 7 ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brückenkreises, einschließlich einer Servoeinrichtung.

Bekanntlich wird zur Beibehaltung eines Brückenabgleichs bzw. des Nullzustandes vielfach ein Nachregelungselement verwendet. Das Nachregelungselement kann in der in F i g. 2 bis 4 gezeigten und nachfolgend näher beschriebenen Form ausgebildet sein.

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 R_x ist. Der Leitungswiderstand des Thermistors sei R,,; wenn der Widerstand der Thermistorzuführung in bezug auf den zu messenden Widerstand des Thermistors groß ist, wird noch ein dritter Widerstand R₁ 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.

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 Widerstand P₄ 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.

In F i g. 2 wird die Nachregelung durch einen variablen Widerstand P₄ im Meßzweig erreicht, dessen Widerstandsänderung dann zur Widerstandsänderung des Thermistors komplementär ist.

In F i g. 3 ist der variable Widerstand P₃ in der entgegengesetzten Position zu der in Fig. 2 dargestellten Lage angeordnet, wodurch dann die Änderung des Widerstandes P₃ der Widerstandsänderung des Thermistors entspricht.

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.

Wird nun der Thermistor dazu verwendet, eine Temperatur über einen Bereich von 50" F (= 10"C) oder mehr zu messen, so ergeben sich bei den Schal-Hingen nach Fig. I bis 4 folgende Schwierigkeiten:

Die Änderung des Widerstandes eines Rheostaten.

wie er in F i g. 2 und 3 verwendet wird, führt ein Kontaktrauschen direkt in die Nachregelung ein.

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.

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.

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 Fig. 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.

Der derzeitige Stand der Festkörperbetriebsverstärker läßt es vom wirtschaftlichen Standpunkt aus wünschenswert erscheinen, die gemessene Variable

gleich der Funktion X = K·-^-, oder wenigstens

beinahe gleich dieser Funktion zu machen, wobei K eine Konstante und R_x der Widerstand ist, dessen Wert zu bestimmen ist. Wird ein Thermistor verwendet, so kann ein (nicht gezeigter) Widerstand R_s parallel zu dem Thermistor geschaltet werden, damit innerhalb des Meßbereichs die Nichtlinearität vom linaren Verlauf nur um wenige Prozent abweicht.

Es wurde nun festgestellt, daß durch Einführen einer Festspannung E_ref 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:

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 E₁ — E₂ = 0 ist.

Man kann dann folgende Gleichungen aufstellen:

E₁ = E₂

y IRl = y ^1Rl. + "Τ ^IR* - ^Eref

₌ 2E_{ref =}

beschriebenen Ausführungsbeispiel. Durch Verwendung einer Festbezugsspannung E_ref wird daher eine abgeglichene Brücke mit Leitungskompensation erreicht, wobei der variable Strom als neue Abgleichgröße verwendet wird. Um diese Brücke zu verwenden, muß

1. der Abgleich beibehalten werden,

2. der Strom bestimmt werden.

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:

T

R_x

30 wenn A = Verstärkung:

A (E₁ — h₂) =

_ref

^Ri

wobei E_ref die Bezugsspannung, R_x der Widerstand des Thermistors, R₁ der Widerstandswert einer der Brückenzweige und R_L der Widerstand der Thermistorleitung ist. Die Größe e_x ist die Spannung an den Eingangsklemmen der Brückenschaltung.

Zur Messung des Ausgangsstroms I kann nun selbstverständlich ein herkömmliches, potentiometrisches Servosystem verwendet werden und der Span-

nungsabfall an einem im Verstärkerausgangskreis eingeschalteten Festwiderstand abgenommen werden. Es ist jedoch vorteilhafter, das Verhältnis des Ausgangsstroms in Abhängigkeit von E_ref zu erhalten, was folgendermaßen bewirkt werden kann:

Gleichung (1) war:

~2

2E_r,

■ef

55 Wenn der Abfall in einem Brückenzweig mit E_ref verglichen wird, kann das Verhältnis der beiden bestimmt werden. ι
Mit — IR2

&ref

wobei r eine Verhältniszahl ist und R₂ der Widerstand eines Brückenzweiges,

IR₂ = rE_r

_ef,

eingesetzt in (2), ergibt sich:

Der Strom / ist damit umgekehrt proportional zu R_x bzw. dem Widerstand des Thermistors in dem

Man sieht, daß -=- , was als praktisch lineare

Funktion von T (Umgebungstemperatur) von Interesse ist, direkt proportional zu r ist, und auch unabhängig von E_reI.

Gleichung (3) kann schaltungstechnisch sehr einfach realisiert werden, wie in F i g. 7 gezeigt, wo das Potentiometer P₁ ein Verhältnis R für E_AusgJE_ref besitzt.

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 Maß

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für die gesuchte Größe -^- ist.

Für den Abgleich des Servodifferenzverstärkers gilt dann:

was der Gleichung (3) entspricht.

Der Schaltkreis in F i g. 7 besitzt also folgende Merkmale:

1. Die Stellung des Potentiometers P₁ ist eine Anzeige für die Verhältniszahl r, die ein Maß für

die gesuchte Größe -=- ist.

K_x

2. Die Servoverstärkung ist ebenso linear wie die Funktion r.

3. E_ref ist nicht kritisch und beeinflußt nur die Verstärkung des Systems.

4. Die Spannung an der Unbekannten R_x ist konstant, was dort von Interesse sein kann, wo Isolationsverluste der Leitungsdrähte von der Größe der Spannung oder der Polarität abhängen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Umwandeln einer als elektrische Widerstandsänderung abgebildeten physikalischen Meßgröße, insbesondere der Temperatur, in einen dieser umgekehrt proportionalen Strom, gekennzeichnet durch eine aus vier Widerstandszweigen bestehende, von ihrer Ausgangs- auf ihre Eingangsdiagonale über einen Verstärker im Sinne einer Selbstabgleichung rückgekoppelte Brückenschaltung, 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.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerausgangsstrom an den einen Eingangsanschluß eines Servodifferenzverstärkers (S) geführt ist, dessen anderer Eingangsanschluß mit dem Schleifer eines parallel zur Quelle konstanter Gleichspannung liegenden Potentiometers (P₁) verbunden ist, und daß die Ausgangsspannung des Servodifferenzverstärkers (S) über einen Servomotor (M) den Schleifer des Potentiometers (P₁) steuert, so daß die Stellung des Potentiometerschleifers ein Maß für die Meßgröße ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen