DE2129566A1

DE2129566A1 - Linearization circuit

Info

Publication number: DE2129566A1
Application number: DE19712129566
Authority: DE
Inventors: Paul Vanovermeier
Original assignee: Metrawatt GmbH
Current assignee: Metrawatt GmbH
Priority date: 1971-06-15
Filing date: 1971-06-15
Publication date: 1972-12-21

Description

Linearisierungsschaltung Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit einem Verstärker, in dessen Rückkopplungskreis ein von einer. physikalischen Größe abhängiger Widerstand derart angeordnet ist, daß die Änderung der Ausgangsgröße des Verstärkers der Widerstandsänderung proportional ist. Schaltungen dieser Art, bei denen im Rückkopplungskreis eines Verstärkers ein Widerstandsmeßfühler liegt, werden z.B. zur Temperaturmessung verwendet. Linearization circuit The invention relates to a circuit with an amplifier in whose feedback loop one of a. physical size dependent resistor is arranged so that the change in output of the amplifier is proportional to the change in resistance. Circuits of this type, which have a resistance sensor in the feedback circuit of an amplifier, are used e.g. for temperature measurement.

Es ist ein generelles Problem in der Meßtechnik, daß das von einem Meßfühler abgegebene oder mit seiner Hilfe erzeugte elektrische Signal im allgemeinen nicht linear von der zu messenden physikalischen Größe abhängig ist. Typische Beispiele hierfür sind aus der Temperaturmeßtechnik bekannt. So ändert sich der Widerstand eines Widerstandsthermometers PT 100 und auch die von den gebräuchlichen Thermoelementen abgegebene Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur nach einer quadratischen Funk tion. Bei weniger genauen Messungen ist es üblich, diese Unlinearitäten zu vernachlässigen bzw. durch einen Zweipunktabgleich mit Hilfe einer Geraden anzunähern. Bei genauen Messungen dagegen wird mit sehr aufwendigen Schaltungen beispielsweise dadurch linearisiert, daß die nichtlineare Funktion durch zahlreiche gerade, von einem Funktionsgenerator erzeugte Teilstücke nachgebildet wird.It is a general problem in metrology that the Electrical signals emitted or generated with the aid of sensors in general does not depend linearly on the physical quantity to be measured. Typical examples for this purpose are known from temperature measurement technology. So the resistance changes a resistance thermometer PT 100 and also those of the common thermocouples output voltage as a function of temperature according to a quadratic Function. In the case of less accurate measurements, it is common to use these non-linearities neglect or approximate by a two-point adjustment with the help of a straight line. In the case of precise measurements, on the other hand, very complex circuits are used, for example linearized by the fact that the nonlinear function is divided by numerous even, of a function generator generated parts is simulated.

Bei einem Thermoelement ist die beste Linearisierung jedoch nur wenig wirkungsvoll, wenn nicht auch der durch Temperaturschwankungen an der Vergleichs stelle des Thermoelements auftretende Fehler korrigiert wird. Außer der häufig praktizierten Methode, die Vergleichs stelle durch einen Thermostat auf konstanter Temperatur zu halten, ist es bekannt, eine sich mit der Temperatur ändernde Kompensationsspannung der Thermospannung entgegenzuschalten. Die dabei üblicherweise zur Anwendung kommende Brükkenschaltung enthält einen temperaturabhängigen Widerstand, der denselben Temperaturschwankungen ausgesetzt ist wie die Vergleichsstelle. Die so erzeugte Kompensationsspannung verläuft jedoch annähernd linear, während die Thermospannung näherungsweise einen parabolischen Temperaturverlauf aufweist. Der dadurch im Temperaturbereich von 0...50°C entstehende Meßfehler beträgt immerhin 0,2...1°C, ist also für genaue Messungen zu groß. Eine wesentlich bessere Meßgenauigkeit könnte erzielt werden, wenn die Kompensationsspannung eine der Thermospannung angepaßte Temperaturkennlinie besitzen würde.With a thermocouple, however, the best linearization is little effective, if not due to temperature fluctuations in the comparison errors occurring in the thermocouple are corrected. Except those commonly practiced Method that compares with a constant temperature thermostat to keep one is known to deal with temperature changing To counteract the compensation voltage of the thermal voltage. The usually The bridge circuit used contains a temperature-dependent resistor, which is exposed to the same temperature fluctuations as the reference junction. the compensation voltage generated in this way, however, is approximately linear, while the Thermoelectric voltage has approximately a parabolic temperature profile. Of the the resulting measurement errors in the temperature range of 0 ... 50 ° C is at least 0.2 ... 1 ° C, so it is too large for precise measurements. A much better measurement accuracy could be achieved if the compensation voltage matched the thermal voltage Would have temperature characteristic.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Linearisierung von Meßfühlern zu finden, deren Kennlinie nach einer quadratischen, insbesondere parabolischen Funktion verläuft. Durch Bildung einer gleichartigen Funktion soll die Schaltung eine wesentlich genauere Angleichung ermöglichen, als es mit Hilfe einer Geraden gelingt. Die Schaltung soll außerdem mit wesentlich geringerem Aufwand realisierbar sein als bekannte Funktionsgeneratoren. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit einem Verstärker, in dessen Rückkopplungskreis ein von einer physikalischen Größe abhängiger Widerstand derart angeordnet ist, daß die Änderung der Ausgangsgröße des Verstärkers der Widerstandsänderung proportional ist, dadurch gelöst, daß zur Linearisierung einer nichtlinearen Kennlinie im Ausgangskreis des Verstärkers ein zweiter von derselben physikalischen Größe abhängiger Widerstand zusammen mit anderen Widerständen einen Spannungsteiler bildet, an dem eine Spannung abnehmbar ist, die von den beiden veränderlichen Widerständen abhängig ist. The object of the invention is to provide a circuit for linearizing To find sensors whose characteristic curve according to a quadratic, in particular parabolic Function proceeds. By creating a similar function, the circuit should enable a much more precise adjustment than with the help of a straight line succeed. The circuit should also be realizable with significantly less effort be known as function generators. This task is done by a circuit with an amplifier in whose feedback loop one of a physical Size-dependent resistor is arranged in such a way that the change in the output variable of the amplifier of the change in resistance is proportional, solved in that the Linearization of a non-linear characteristic in the output circuit of the amplifier second resistance depending on the same physical quantity together with others Resistors forms a voltage divider from which a voltage can be removed depends on the two variable resistances.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann auf zwei verschiedene Arten zur Linearisierung verwendet werden. Soll eine nach einer quadratischen, insbesondere parabolischen Funktion sich ändernde Kompensationsspannung erzeugt werden, so muß man die beiden veränderlichen Widerstände als lineare oder annähernd lineare Widerstände ausführen. Bei einer Temperaturmessung wird man also vorzugsweise Kupferwiderstände verwenden. Handelt es sich dagegen bei dem im Rückkopplungskreis des Verstärkers liegenden veränderlichen Widerstand um einen Widerstands-Meßfühler mit nichtlinearer Charakteristik, so erfolgt die Linearisierung dadurch, daß der zweite veränderliche Widerstand eine gleichartige nichtlineare Charakteristik aufweist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. The circuit according to the invention can be used in two different ways Linearization can be used. Should one after a square, in particular parabolic function changing compensation voltage must be generated the two variable resistances as linear or approximately linear resistances carry out. When measuring temperature, copper resistors are therefore preferred use. Is it on the other hand with the one in the feedback loop variable resistance of the amplifier around a resistance sensor with non-linear characteristics, the linearization takes place in that the second variable resistor has a similar non-linear characteristic. Further advantageous refinements and developments of the invention are shown in Characterized subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Linearisierungsschaltung zur Erzeugung einer parabolischen Kompensationsspannung, Fig. 2 die Temperaturkennlinie der Verstärkerausgangsspannung Eo, Fig. 3 die Temperaturkennlinie einer am Spannungsteiler abgegriffenen Spannung U.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below. 1 shows a linearization circuit for generating a parabolic compensation voltage, FIG. 2 shows the temperature characteristic the amplifier output voltage Eo, FIG. 3 shows the temperature characteristic curve at the voltage divider tapped voltage U.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltungsbeispiel betrifft eine Meßanordnung, die dazu dient, den Temperatureinfluß auf die Vergleichsstelle eines Thermoelementes zu kompensieren. Ändert sich die Temperatur an der Vergleichsstelle, so entsteht eine Fehlerspannung, welche den Meßwert verfälscht. Um diesen Fehler zu vermeiden, wird der Thermospannung eine Kompensationsspannung entgegengeschaltet, die ihren Wert ebenfalls in Abhängigkeit von der TEmperatur ändert. Im Gegensatz zu der bekannten Brückenschaltung, die eine näherungsweise lineare Kompensationsspannung abgibt, wird mit der erfindungsgemäßen Schaltung eine Kompensationsspannung erzeugt, die sich entsprechend dem Temperaturverlauf üblicher Thermoelemente parabolisch ändert.The circuit example shown in Fig. 1 relates to a measuring arrangement, which serves to measure the influence of temperature on the reference junction of a thermocouple to compensate. If the temperature at the reference junction changes, this results in an error voltage which falsifies the measured value. To avoid this mistake, a compensation voltage is switched against the thermal voltage, their The value also changes depending on the T temperature. In contrast to the well-known Bridge circuit that emits an approximately linear compensation voltage, a compensation voltage is generated with the circuit according to the invention, which changes parabolically according to the temperature profile of conventional thermocouples.

Im Gegenkopplungskreis eines Differenzverstärkers 1 liegt ein temperaturabhängiger Kupferwiderstand 2. Die Ausgangsspannung Eo des Verstärkers 1 ist abhängig von dem Kupferwiderstand 2 sowie den beiden über die Spannungsteilerwiderstände 3 bis 6 dem Differenzverstärker 1 zugeführten Eingangsspannungen. Da sich der Kupferwiderstand linear mit der Temperatur ändert, ergibt sich -wie Fig. 2 zeigt- auch eine lineare Abhängigkeit der Spannung Eo von der Temperatur. Als Kompensationsspannung wird jedoch nicht die Spannung Eo verwendet, sondern eine an dem Spannungsteiler 7, 8,9 abgegriffene Spannung U. Die Spannung U hat, wie in Fig. 3 dargestellt ist, einen parabolischen Verlauf, bedingt durch den Widerstand 9, der ebenfalls ein temperaturabhängiger Kupferwiderstand ist. Der nicht lineare Temperaturverlauf der Spannung U wird leicht verständlich, wenn man bedenkt, daß die Spannung Eo und damit der durch den Widerstand 9 fließende Strom bereits von der Temperatur abhängig ist. Da nun der Widerstand 9 ebenfalls temperaturabhängig ist, muß sich ein Kennlinienverlauf einstellen, der einer quadratischen Funktion entspricht. Der Verlauf der Kennlinie kann durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 2,7,8,9 beeinflußt werden. Mit Hilfe des Potentiometers 5 ist es möglich, die Spannung U bei 0°Cauf 0 einzustellen. Ein zweiter Abgleich wird bei Nenntemperatur durchgeführt und die Widerstände 7,8,9 werden dabei so ausgelegt, daß bei angeschlossenem Thermoelementenkreis das Meßinstrument nicht aus schlägt.In the negative feedback circuit of a differential amplifier 1 there is a temperature-dependent one Copper resistance 2. The output voltage Eo of the amplifier 1 depends on the Copper resistor 2 as well as the two via the voltage divider resistors 3 to 6 the differential amplifier 1 supplied input voltages. That I the copper resistance changes linearly with the temperature, results - as Fig. 2 shows - also a linear dependence of the voltage Eo on the temperature. As a compensation voltage however, the voltage Eo is not used, but one on the voltage divider 7, 8,9 tapped voltage U. The voltage U has, as shown in Fig. 3, a parabolic course, caused by the resistor 9, which is also a temperature-dependent one Copper resistance is. The non-linear temperature profile of the voltage U becomes easy Understandable if you consider that the voltage Eo and thus the voltage caused by the resistance 9 flowing current is already dependent on the temperature. Now there is the resistance 9 is also temperature-dependent, a characteristic curve must be set that corresponds to a quadratic function. The course of the characteristic can be determined by suitable Dimensioning of the resistors 2,7,8,9 can be influenced. With the help of the potentiometer 5 it is possible to set the voltage U to 0 at 0 ° C. A second comparison is carried out at the nominal temperature and the resistors 7,8,9 are designed in such a way that that when the thermocouple circuit is connected, the measuring instrument does not strike.

Die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung bietet gegenüber den bisher verwendeten Brückenschaltungen den Vorteil einer wesentlich besseren Kennlinienanpassung und benötigt auch keine schwebende Spannungsquelle zur Stromversorgung. Um die Temperaturdifferenz zwischen der Vergleichsstelle und den Kupferwiderständen 2,9 möglichst klein zu halten, ist es vorteilhaft, jeweils die Hälfte der beiden Widerstände auf die als Vergleichsstelle dienenden Anschlußklemmen zu wickeln.The compensation circuit according to the invention offers compared to the previous bridge circuits used have the advantage of a much better characteristic curve adaptation and also does not require a floating voltage source for power supply. To the temperature difference between the reference junction and the copper resistors 2.9 to be as small as possible hold, it is advantageous to use half of the two resistors on the as To wind reference junction serving terminals.

Ist der Widerstand 2 in Fig. 1 ein Widerstandsthermometer Pt 100, dessen Widerstand sich nach einer quadratischen Funktion ändert, so wird die Verstärkerausgangsspannung Eo ebenfalls unlinear.If the resistor 2 in Fig. 1 is a Pt 100 resistance thermometer, whose resistance changes according to a quadratic function, the amplifier output voltage becomes Eo also non-linear.

Setzt man jedoch anstelle des Widerstandes 9 einen Festwiderstand und anstelle des Widerstandes 7 ein zweites Widerstandsthermometer, so kann an dem Spannungsteiler 7,8,9 eine linearisierte Spannung U abgegriffen werden. Die beiden Widerstandsthermometer 2,7 müssen thermisch in engem Kontakt zueinander stehen, müssen also in der selben Temperaturmeßsonde angeordnet werden.If, however, a fixed resistor is used instead of the resistor 9 and instead of the resistor 7 a second resistance thermometer, so can on the Voltage divider 7,8,9 a linearized voltage U can be tapped. The two Resistance thermometers 2.7 must be in close thermal contact with one another, must therefore be arranged in the same temperature probe.

Abschließend sei noch bemerkt, daß sich die erfindungsgemäße Schaltung auch zur Erzeugung einer Spannung eignet, die sich in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe nach einer Funktion höherer Ordnung ändert. Voraussetzung hierfür ist, daß die veränderlichen Widerstände 2,9 bereits eine unlineare z.B. quadratische Kennlinie besitzen.Finally it should be noted that the circuit according to the invention also suitable for generating a voltage, which is dependent on a physical Size changes according to a higher order function. The prerequisite for this is that the variable resistances 2.9 already have a non-linear, e.g. square, characteristic own.

Claims

1. Circuit with an amplifier in whose feedback loop a Resistance dependent on a physical quantity is arranged in such a way that the change in the output of the amplifier is proportional to the change in resistance is, characterized in that for the linearization of a non-linear characteristic in the output circuit of the amplifier a second one of the same physical size dependent resistance forms a voltage divider together with other resistors, at which a voltage can be removed from the two variable resistors is dependent.

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the two variable resistances are so dependent on the physical size that the output variable picked up at the voltage divider has the course of a quadratic, in particular has a parabolic function.

3. A circuit according to claim 1, characterized in that the two variable resistances are so dependent on the physical size that Their non-linear parts of the characteristic curve almost cancel each other out, so that those at the voltage divider tapped voltage has a linearized curve.

4. A circuit according to claim 1 and 3, characterized in that the two variable resistances are two resistance thermometers and both with related to the temperature to be measured.

5. A circuit according to claim 1 and 2, characterized in that the two variable resistances are two temperature-dependent resistances and the voltage tapped at the voltage divider to compensate for the error voltage used at the reference junction of thermocouples in the event of temperature fluctuations occurs.

6. Circuit according to claim 1, 2 and 5, characterized in that the two temperature-dependent resistors are thermally connected to the reference junction of the respective thermocouple are connected.

7. Circuit according to claim 6, characterized in that the comparison point is on two lead out of a measuring device housing contact terminals and the two temperature-dependent resistors each half electrically isolated, but are wound on the contact terminals in a thermally close connection.

L e r s e i t e