DE19510134A1 - Schaltungsanordnung zur Messung einer veränderlichen physikalischen Größe, insbesondere der Temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung einer veränderlichen physikalischen Größe, insbesondere der Temperatur, mit einem schwingungsfähigen Element und einem dieses dämpfenden, in seiner Dämpfungscharakteristik von der zu messenden Größe abhängigen Widerstandselement, ins­ besondere einem Thermistor.

Bisher bekannte Schaltungsanordnungen zur Messung einer veränderlichen physikalischen Größe, wie beispielsweise der Temperatur, verwenden in der Regel das bekannte Prinzip der Dämpfung einer erzwungenen kontinuierlichen Schwingung ei­ nes Schwingungselementes, wobei die Dämpfung durch das Wi­ derstandselement, das abhängig vom Wert der zu messenden Größe unterschiedliche Dämpfungseigenschaften (z. B. bei hoher Temperatur eine geringe Dämpfung und bei niedriger Temperatur eine starke Dämpfung) aufweist, bewirkt wird. Als Schwingungssysteme finden hierbei mehr oder weniger kompliziert und aufwendig ausgelegte Oszillatoren Verwen­ dung, die während der Messung mit den bisher bekannten Schaltungsanordnungen für die Dauer eines kompletten Meßzy­ klusses aktiv, d. h., eingeschaltet und schwingend sein müssen. Infolgedessen ist der Energieverbrauch der bisher bekannten Schaltungsanordnungen während eines Meßzyklusses relativ hoch. Daneben ist der Aufbau der vorbekannten Schaltungen, die zwar ein relativ genaues Messen ermögli­ chen, kompliziert, was den Einsatz dieser Anordnungen im Rahmen von Messungen, die lediglich einer relativ groben aber schnellen Größenbestimmung dienen sollen, aus Auf­ wands- und Kostengründen nicht sinnvoll.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung zu schaffen, welche ein energiemäßig günsti­ ges Messen bei gleichzeitig einfacher Strukturierung der Schaltungsanordnung ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß das schwingungsfähige Element aus einer Spule und einem Kondensator besteht, welche mit dem Widerstandselement einen R-L-C-Parallelschwingkreis bilden, welcher mit einem lediglich zum Anstoßen der vom Widerstandselement gedämpf­ ten freien Schwingung des Schwingkreises dienenden Schaltelement verbunden ist, und daß dem Schwingkreis eine Zähleinrichtung zur Bestimmung der als Maß für die zu mes­ sende Größe dienenden Anzahl der Einzelamplituden nachge­ schaltet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht somit der schwingungsfähige, gedämpfte und somit die Temperatur­ messung ermöglichende Teil aus einem einfachen R-L-C- Parallelschwingkreis, welcher sowohl im Hinblick auf seine Struktur als auch kostenmäßig äußerst einfach zu realisie­ ren ist. Aus energetischer Hinsicht ist die erfindungsge­ mäße Schaltungsanordnung dahingehend von besonderem Vor­ teil, daß der Parallelschwingkreis für jeden Meßzyklus le­ diglich ein einziges Mal, nämlich zu Beginn des Meßzyklus­ ses, mittels des Schaltelementes angeregt wird und nach Beendigung der Anregung eine freie gedämpfte Schwingung ausführt. Es ist somit nicht mehr erforderlich, den schwingenden Teil der Schaltanordnung während des komplet­ ten Meßzyklusses angeregt zu halten, wie dies bei den vor­ bekannten Anordnungen der Fall ist.

Die Einzelamplituden, deren von der Dämpfung abhängige An­ zahl bis zum vollständigen Abklingen der freien Schwingung als Maß für die zu messende Größe, beispielsweise die Tem­ peratur, dienen, werden vorteilhaft mittels einer nachge­ schalteten Zähleinrichtung bestimmt, so daß anhand des Zählergebnisses die zu messende Größe angegeben werden kann. Dabei kann in weiterer Erfindungsausgestaltung eine dem Parallelschwingkreis nachgeschaltete Einrichtung zur Bildung einer der Festlegung der zählbaren Einzelamplituden dienende Schwelle vorgesehen sein. Diese Schwelle bewirkt, daß nicht sämtliche Schwingungsamplituden der abklingenden Schwingung von der Zähleinrichtung aufgenommen werden, son­ dern lediglich diejenigen, welche die gesetzte Schwelle über- oder unterschreiten, abhängig von der Art der gesetz­ ten Schwelle. Auf diese Weise ist es somit einfachst mög­ lich, die Dauer eines jeweiligen Meßzyklusses, der vom Ende des Anstoßes bis zur letzten zählbaren Einzelamplitude dau­ ert, festzulegen. Als Einrichtung zur Erzeugung der Schwelle hat sich erfindungsgemäß ein eingangsseitig mit dem Parallelschwingkreis und ausgangsseitig mit der Zähl­ einrichtung verbundener Komparator als besonders zweckmäßig erwiesen. Eingangsseitig treten am Komparator die Einzelam­ plituden auf, welche von der anliegenden Schwelle gefiltert werden. Diejenigen Einzelamplituden, welche die Schwelle passieren, erzeugen am Komparatorausgang einen vom Zähler registrierbaren Impuls, weshalb infolge der Komparatorver­ wendung auf den Einsatz teuerer Analog-Digital-Wandler ver­ zichtet werden kann, da das Zählergebnis bereits in digita­ lisierter Form vorliegt. Als leistungsfähiger Komparator hat sich ein CMOS-Gatter, welches vorzugsweise hysteresebe­ haftet ist, als besonders zweckmäßig erwiesen.

Zur Generation des die Schwingung einleitenden Anstoßimpul­ ses kann ein schneller Schalter, insbesondere ein CMOS- Schalter Verwendung finden. Bei der Zähleinrichtung haben sich erfindungsgemäß ein positiv oder negativ flankensensi­ tiver Zähler oder alternativ dazu ein positiv oder negativ pegelsensitiver Zähler, beide ebenfalls vorzugsweise in CMOS-Technik ausgeführt, als brauchbar erwiesen.

In weiterer Erfindungsausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Zähleinrichtung eine Speichereinrichtung nachge­ schaltet ist, um die Ergebnisse eines Meßzyklusses aufzu­ nehmen, so daß nach gegebenenfalls mehrfacher Wiederholung der Messung das Ergebnis, welches mit einer ebenfalls er­ findungsgemäß nachgeschalteten Auswerteeinrichtung ermit­ telt werden kann, basierend auf mehreren Meßergebnissen ge­ mittelt erhalten werden kann.

Im Rahmen einer Temperaturmessung kann als Widerstandsele­ ment erfindungsgemäß ein PTC- oder NTC-Thermistor verwendet werden. Neben einer Messung der veränderlichen Temperatur kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung jedoch auch zur Messung weiterer veränderlicher physikalischer Größen wie beispielsweise der Lichtstärke im Rahmen von Beleuch­ tungsmessungen verwendet werden. Zu diesem Zweck kann auf Basis der Erfindung ferner vorgesehen sein, daß das Wider­ standselement ein die Messung der Lichtstärke ermöglichen­ der lichtempfindlicher Widerstand (LDR) ist. Auch bei die­ sem Widerstand ändert sich seine Dämpfungscharakteristik infolge einer, abhängig von seiner Art, durch Änderung der Lichtstärke bewirkten Widerstandserhöhung oder -erniedri­ gung. Da derartige lichtempfindliche Widerstände in der Re­ gel auch einen ausgeprägten Temperaturgang ihres Widerstan­ des aufweisen, ist eine Verwendung eines derartigen LDR-Wi­ derstandes neben seinem eigentlichen Einsatz zur Lichtstär­ kemessung auch im Rahmen der Temperaturmessung möglich. Zu diesem Zweck kann erfindungsgemäß eine an der Schaltungsanordnung angebrachte Einrichtung zur Lichtab­ schirmung des lichtempfindlichen Widerstandselements vorge­ sehen sein, so daß dieses abgeschirmt werden kann und eine Änderung des Widerstandes lediglich noch auf einer Tempera­ turänderung basieren kann. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine multifunktionelle Schaltungsanordnung geschaffen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung,

Fig. 2A ein Steuersignaldiagramm für die wesentlichen Schaltungselemente,

Fig. 2B den Frequenzgang und das Zählerergebnis im Falle eines hohen Dämpfungswiderstandes, und

Fig. 2C den Frequenzgang und das Zählerergebnis im Falle eines niedrigen Dämpfungswiderstandes.

Die in Fig. 1 gezeigte Prinzipschaltung besteht aus einem Parallelschwingkreis 1, bestehend aus einem Thermistor 2, einer Spule 3 und einem Kondensator 4. Mit seinem ersten Pol 5 ist der R-L-C-Parallelschwingkreis 1 an positives Po­ tential angelegt. Der zweite Pol 6 ist zunächst mit einem Schaltelement 15 verbunden, welches den zum Anstoßen erfor­ derlichen Schaltimpuls liefert. Zum anderen ist der zweite Pol 6 mit einem hysteresebehafteten Komparator 7 verbunden, welcher der Festlegung einer der Einzelamplitudenfilterung dienenden Schwelle dient. Dem Komparator 7 nachgeschaltet ist eine Zählereinrichtung 8, welche mit einer nachgeschal­ teten Speicher- und/oder Auswerteeinrichtung 9 kommuni­ ziert. Gezeigt sind ferner prinzipiell die erforderlichen Steuersignale, nämlich zum einen das Steuersignal A zum Stellen der Zählereinrichtung 8, daneben das Steuersignal B zum Stellen des Schaltelements 15 und schließlich das Steu­ ersignal C zum Stellen der Steuer- und/oder Auswerteein­ richtung 9, an welcher das Meßergebnis entnehmbar ist.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird nunmehr an den Fig. 2A-2C erläutert. Fig. 2A zeigt zunächst die zeitliche Abfolge der Steuersignale A, B und C. Zu Beginn der Messung wird zunächst die Zählereinrichtung 8 mittels des Steuersignales A durch den Impuls 10 zurückgesetzt. Da­ nach wird der Parallelschwingkreis 1 durch das Steuersignal B mittels des ebenfalls nur sehr kurzen Impulses 11 ange­ stoßen und beginnt im Moment des Anstoßes zu schwingen (vgl. Fig. 2B, 2C). Die Schwingung dauert bis zum vollstän­ digen Abklingen derselben an, wonach der Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 9 mittels des Steuersignales C über den Impuls 12 das entsprechende Speichersignal zum Einlesen des Zählergebnisses gegeben wird.

Fig. 2B zeigt nun den zeitlichen Frequenzgang und das Zähl­ ergebnis im Falle eines hohen Dämpfungswiderstandes seitens des Thermistors 2. Gezeigt ist eine abklingende Schwingung 13. Das Abklingverhalten der Schwingung 13 wird durch den momentanen Widerstandswert des Thermistors 2 bestimmt. Am Eingang des Komparators 7 wird daher eine temperaturabhängige Anzahl von Einzelamplituden auftreten. Der Komparator 7 selbst erzeugt eine Schwelle 14, welche der Filtration der zählbaren Einzelamplituden dient. Von den auftretenden Einzelamplituden unterschreiten im gezeig­ ten Ausführungsbeispiel die ersten fünf die gesetzte Kompa­ ratorschwelle 14, die weiteren nachfolgenden Amplituden der abklingenden Schwingung 13 unterschreiten diese nicht mehr. Da jede die Komparatorschwelle 14 unterschreitende Ein­ zelamplitude einen Impuls erzeugt, ermittelt die Zählein­ richtung 8 im gezeigten Beispiel somit fünf Impulse, welche ein digitales Ergebnis als Maß für die momentane Temperatur ergeben. Das Zählergebnis wird anschließend der Speicher­ und/oder Auswerteeinrichtung 9 zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

Fig. 2C zeigt ein Beispiel des Schwingungsganges im Falle eines niedrigen Dämpfungswiderstandes und damit einer hohen Dämpfung. In diesem Fall unterschreiten lediglich drei Ein­ zelamplituden die gesetzte Komparatorschwelle 14. Infolge­ dessen stehen am Komparatorausgang lediglich drei Zählim­ pulse an, welche von der Zähleinrichtung 8 aufgenommen und addiert werden und als Maß für die geänderte Temperatur weiterverarbeitet werden.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zur Messung einer veränderlichen physikalischen Größe, insbesondere der Temperatur, mit einem schwingungsfähigen Element und einem dieses dämpfenden, in seiner Dämpfungscharakteristik von der zu messenden Größe abhängigen Widerstandselement, da­ durch gekennzeichnet, daß das schwingungsfähige Ele­ ment aus einer Spule (3) und einem Kondensator (4) be­ steht, welche mit dem Widerstandselement (2) einen R- L-C-Parallelschwingkreis (1) bilden, welcher mit einem lediglich zum Anstoßen der vom Widerstandselement (2) gedämpften freien Schwingung des Schwingkreises (1) dienenden Schaltelement (15) verbunden ist, und daß dem Schwingkreis (1) eine Zähleinrichtung (8) zur Bestimmung der als Maß für die zu messenden Größe die­ nenden Anzahl der Einzelamplituden nachgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dem Schwingkreis (1) nachgeschaltete Ein­ richtung zur Bildung einer der Festlegung der zählba­ ren Einzelamplituden dienenden Schwelle.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung ein eingangsseitig mit dem Parallelschwingkreis (1) und ausgangsseitig mit der Zähleinrichtung (8) verbundener Komparator (7) ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Komparator (7) als vorzugsweise hy­ steresebehaftetes CMOS-Gatter ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (15) ein schneller Schalter, insbesondere ein CMOS- Schalter ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrich­ tung (8) ein positiv oder negativ flankensensitiver Zähler, vorzugsweise in CMOS-Technik ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung (8) ein positiv oder negativ pegelsensitiver Zähler, vor­ zugsweise in CMOS-Technik ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähleinrich­ tung (8) eine Speicher- und/oder eine Auswerteeinrich­ tung (9) nachgeschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (2) ein PTC- oder NTC-Thermistor ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein die Messung der Lichtstärke ermöglichender lichtem­ pfindlicher Widerstand ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Lichtabschirmung des licht­ empfindlichen Widerstandselements.