DE2356837A1

DE2356837A1 - Messvorrichtung zur bestimmung einer widerstandsabweichung

Info

Publication number: DE2356837A1
Application number: DE2356837A
Authority: DE
Inventors: Eiji Hayashi
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1972-11-15
Filing date: 1973-11-14
Publication date: 1974-05-22
Also published as: DE2356837B2; JPS5650232B2; GB1402698A; JPS4974082A; DE2356837C3; PL92490B1; US3875501A

Description

PATENTANWÄLTE HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER

DR. PHIL. . DIPL.-ING. DR~ RER. NAT. DIPL.-ING. DIPI..-ING.

IHLEX: ns 29 802 HNKL D EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 bayerische Hypotheken- und

TELEFON: (0811)663197, 663091-92 η »L UfivrHBW ΟΠ " WECHSELBANK MÜNCHEN NR. 318-85 TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MCHN 1621 47-809

Yokogawa Electric Works, Ltd. 1 3. NOV. 1973

Tokio, Japan

Meßvorriehtung zur Bestimmung einer Widerstandsabweichung

Die Erfindung.betrifft eine Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Widerstandsabweichung mit einem impulsbreitenmodulierenden Analog:Digital-Wandler, insbesondere zur Erzeugung eines einen Meßwert anzeigenden Digitalsignals.

Bei Messungen z.B. von Temperaturen, die ein für den jeweiligen Meßwert repräsentatives Digitalsignal liefern sollen, ist es üblich, zuerst ein die Temperatur angebendes elektrisches Analogsignal zu gewinnen und dieses anschließend mittels eines Analog:Digital-Wandlers in ein Digitalsignal umzuwandeln. Hierbei muß eine Einrichtung zur Umwandlung der Temperatur in ein elektrisches Analogsignal in Verbindung mit einer Einrichtung zur Umwandlung des elektrischen Analogsignals in ein Digitalsignal vorgesehen sein. Wenn ein Temperaturmeßwiderstand als Temperaturdetektor bzw. -fühler verwendet wird, besteht die Einrichtung zur Umwandlung der Temperatur in ein elektrisches Analogsignal im allgemeinen aus einer Meßbrücke mit einem Temperaturwiderstand und einem Verstärker zur Verstärkung einer llnabgleichspannung der Meßbrücke. Bezüglich des Analog:Digital-Wandlers wird es andererseits im allgemeinen als zweckmäßig angesehen', einen integrierenden Analog:Digital~Wandler zu verwenden, der

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nahezu frei ist von Bausch- oder S tor einfluss en. Die Notwendigkeit für die Verwendung von zwei verschiedenen Einrichtungen bei der Messung von Temperaturen ergibt sich daraus, daß bisher noch keine Einrichtung zur Verfügung steht, die ein thermisches Signal unmittelbar in ein Digitalsignal umzuwandeln vermag. Der Aufbau einer Digital-Temperaturmeßvorrichtung könnte also beträchtlich durch eine Einrichtung vereinfacht werden, die ein thermisches Signal unmittelbar in ein der Temperatur entsprechendes Digitalsignal umzuwandeln vermag. Da der Temperäturwert als Änderung bzw. Abweichung des Widerstandswerts eines Temperaturmeßwiderstands erzielt wird, ist es für die Umwandlung des thermischen Signals in ein Digitalsignal nötig, die Widerstandsabweichung in ein Digitalsignal umzuwandeln.

Der Erfindung liegt damit die technische Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Widerstandsabweichung, welche für eine physikalische Meßgröße repräsentativäst, unmittelbar in ein Digitalsignal umzuwandeln vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Meßvorriehtung für Widerstandsabweichungen mitVAnalog:Digital-Wandler mit Impulsbreiten-Modulation erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein elektrisches Schaltbild einer Vorrichtung mit MerJonalen nach der Erfindung und ___

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Pig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung -der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig, 1

Die in Pig. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Gleichstromquelle E, einen Widerstand R1, einen Temperaturmeßwiderstand Rt und einen Bezugswiderstand Rs auf. Die , Spannung der Gleichstromquelle E wird der aus den Widerständen R1, Rt und Rs bestehenden Schaltung eingespeist. Die Verbindungsstelle, an welcher der Temperaturmeßwiderstand Rt und der Bezugswiderstand Rs in Reihe geschaltet sind, liegt an Masse. Bei AT, A2 und A3 sind Pufferverstärker dargestellt, die einen Verstärkungsgrad von -I besitzen. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Umschalter K, Widerstände R3 und R4 mit jeweils gleichem Wert,

einen Widerstand R5 mit kleinerem Wert als demjenigen der Widerstäc Ie R3 und R4, einen Kondensator C und einen Operationsverstärker^A4 mit hohem Verstärkungsgrad auf. Die Widerstände R3, R4 und R5, der Kondensator C und der Operationsverstärker A4 sind zur Bildung eines allgemein mit I bezeichneten Integrators zusammengeschaltet. Der Integrator I empfängt als Eingangssignal die algebraische Summe eines Spannungsabfalles e. im Temperaturmeßwiderstand Rt und eines Spannungsabfalls -e im Bezugswiderstand Rs in Verbindung mit entweder einer positiven'

Spannung +e_ oder einer negativen Spannung -e- , die s ε

durch den Umschalter K geändert wird. Der Umschalter K wird durch ein Ausgangssignal eines noch' zu erläuternden Komparators H betätigt.. Zudem weist die Vorrichtung einen Sägezahnspannungsgenerator S, einen Komparator H und einen Zeitmesser M auf. Der Generator S erzeugt eine Sägezahnspannung E6 mit konstanter Periode und konstanter Amplitude. Der Komparator H vergleicht die Ausgangsspannung E10 des Integrators. I mit der Sägezahnspannung E6

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und erzeugt ein Ausgangssignal E7 entsprechend "1", wenn die Integrator-Ausgangsspannung E10 größer ist als die Sägezahnspannung E6, und entsprechend "0", wenn erstere kleiner ist als letztere.

Wenn der Komparator H das Ausgangssignal "1" erzeugt, wird der Umschalter K auf einen Kontakt 1 umgelegt, und wenn das Ausgangssignal "0" erzeugt wird, wird der Umschalter auf einen Kontakt 2 umgelegt. Der Zeitmesser M dient zur digitalen Messung der Impulsbreite des Ausgangssignals vom Komparator H.

-Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend erläuterten Vorrichtung anhand von Pig. 2 beschrieben, welche die Arbeitsweise der Vorrichtung im eingeschwungenen Zustand veranschaulicht: Ist der Wert des Temperatürmeßwiderstandes (Widerstandsröhre) Ht größer als der Wert des Bezugswiderstands Hs, so wird die algebraische Summe der Spannungen e, und -e„ dem Integrator I als negative Eingangsspannung ~(e₊- e) eingegeben.

ν S

Gemäß Pig. 2 besteht ein Eingangssignal aus ~(e, - e ),

X S

und eine positive Bezugsspannung +e^ wird dem Integrator I im Abschnitt t. gemäß Pig. 2_wa eingespeist. Bas Eingangssignal des Integrators I ist insgesamt positiv, weil der Wert des Widerstands B5 kleiner ist als der Wert der Widerstände £3 bzw. £4« Infolgedessen fällt die Ausgangsspannung E10 des Integrators I in negativer !Richtung ab.

Andererseits ändert sich zu diesem Zeitpunkt die Sägezahnspannung E6 ebenfalls von ihrem maximalen negativen auf ihren maximalen positiven Wert. Daher ist die Sägezahnspannung E6 nunmehr kleiner als die Ausgangsspannung ■E10 des Integrators I. Infolgedessen wird das Ausgangs-

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signal E7 des !Comparators H zu einer "1", wodurch der Umschalter K auf die Seite der positiven. Bezugsspannung +e_o umgelegt wird. Wenn die Sägezahnspannung E6 größer wird als die Integratorausgangsspannung ElO, wird das Ausgangssignal E 7 des Komparators H zu einer "0" umgewandelt, und der Umschalter K wird auf die Seite der negativen Bezugsspannung -e und

~(e, - e ) eingespeist? wobei die Integrator-Ausgangst s

spannung ElO in positiver Sichtung variiert (vergib Abschnitt tp in Fig» 2). Die lande rungs rate des Integrator-Ausgangssignals ElO wird in diesem Abschnitt größer als im Abschnitt t-.

In diesem Pail übersteigt Jedoch die !Snderungsrate nicht diejenige der Sägezahnspannung E6· Sobald letztere ihren maximalen positiven Wert erreicht_? wird sie auf den maximalen negativen Wert umgeschaltet· Die Sägezahnspannung E6 wird dadurch wieder kleiner als die Integrator-Ausgangsspannung E10, und das Ausgangssignal des'Komparators H wird zu "1", indem der Umschalter E auf die Klemme der positiven Bezugs spannung +e umge-

legt wird·

Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise wiederholt sich in jeder Periode der Sägezahnspannung E6. Das Ausgangssignal E7 des Komparators H nimmt dabei die gleiche Signalform an wie die abwechselnd umgeschaltete Bezugsspannung _+e (Fig. 2b). Wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgang periodisch, so wird der durchschnittliche Eingangswert des Komparators H über eine Periode der Sägezahnspannung Eb gleich Null, was . sich in der folgenden Gleichung ausdrückt:

•^fi. ■■-- -

umgelegt. Dem Integrator I wird mithin als Eingangs signal die Spannung ~e_s -

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ι-*--A^i*'**4t

worin R3 = R4- gesetzt ist. Aus dieser Gleichung läßt sich die folgende Beziehung ableiten:

- ^ββ* fi3 *1 - *2 <2>

II«? «»-ι τ t_o

^es

in welcher

_t = ψέ n_t. I

e„ = Bei -Lr , L

k (konstant)

bedeuten» Wenn die Sägezahnspannung E7 eine Periode besitzt, so gilt

und Gleichung (2) wird umgeschrieben in

■ρ+ ^ "ν

ßs

Wenn hierbei der Bezugswiderstand Hs bei einer Besögstemperatur (z.B. O⁰C) auf denselben Wert eingestellt ist wie der Temperaturmeßwiders tand Rt, wir«! die linke Seite der Gleichung (3) der gemessenen Temperatur proportional,

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Andererseits sind k und T auf der rechten Seite dieser G-leiclmng Konstanten, so &ß die Zeitbreite T ebenfalls der gemessenen !Temperatur proportional ist. Hieraus folgt, daß ein Digitalsignal des gemessenen 'remperaturwerts durch, digitale Messung der Abweichung der Impulsbreite des !Comparators von T/2 mittels der Zeitmeßeinrichtung M erhalten werden kann.

Bei Yerwendung der beschriebenen Temperaturmeßeinrichtung wird die dem Integrator I nachgeschaltete Schaltung allgemein als AnalogiDigitäl-Wandler mit Impuls-Breitenmodulation bezeichnet« Mit der erfihdungsgemäßen Vorrichtung wird - wie .dargelegt - eine vorteilhafte Verbesserung der bekar.nten Analogs Digital-Wandler dieser Art erzielt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist weiterhin ersieht- ' lieh, daß mit Hilfe einer e2⁴fij?.dungs gemäßen Vorrichtung ein thermisches Signal in einem einzigen Arbeitsschritt unmittelbar in ein Digitalsignal umgewandelt werden kann.

Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß bei der erfindungs-. gemäßen Meßvorrichtung die Gleichstromquelle E nicht von hoher Konstanz zu sein braucht; vielmehr braucht sie für die Erfindungszwecke nur in der Lage zu sein, die Stabilität während einer kurzen Zeitspanne entsprechend einem Arbeitsvorgang des Integrators I aufrechtzuerhalten. Hierbei ist auch keine HOchkonstantTStromquelle für die Lieferung einer Bezugsspannung erforderlich, wie sie bei den bekannten Analog:Digital-V/andlern unweigerlich nötig ist. Andererseits ist es einfach, einen Bezugswiderstand hoher Präzision und Stabilität herzustellen. Außerdem ist es durch entsprechende Wahl der Periode T der Sägezahnspannung mit einem Wert, welcher einer integralen

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Multiplikation der Periode eines angenommenen Wechselstrom-Rauschens entspricht, möglich, einen Meßwert zu erhalten, der durch ein solches Wechselstrom-Rauschen nicht beeinflußt wird. Aus der vorstehenden Beschreibung ist mithin ersichtlich, daß mit der Erfindung eine Digital-Temperaturmeßvorrichtung geschaffen wird₉ die genau und zuverlässig arbeitet und kostensparend hergestellt werden kann.

Wie aus Gleichung (3) hervorgeht, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im wesentlichem um eine Widerstandsabweichungs-Meßvorrichtung, so daß dann, wenn der Temperaturmeßwiderstand fit durch einen unbekannten Widerstand Rx ersetzt wird, eine Abweichung des unbekannten Widerstands Ex vom Bezugswiderstand Rs gemessen werden kann.

Außerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung anderer physikalischer Größen abgewandelt werden, die durch eine Änderung bzw. Abweichung des elektrischen Widerstands dargestellt werden können.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung mithin eine Vorrichtung mit Impuls-Breitenmodulation zur Messung einer Widerstandsabweichung geschaffen, die unter Verwendung eines Temperaturmeßwiderstands zweckmäßig auf die Messung von Temperaturen angewandt werden kann, um ein Digitalsignal des gemessenen Temperaturwerts zu erhalten. Die Meßvorrichtung basiert auf einem Analog:Digital-Wandler mit Impulsdauer- oder Impuls-Breitenmodulation, der mit einem Integrator versehen ist, welcher als Eingangssignale paarweise positive und negative Signale gleicher Amplitude zusammen mit einem umzuwandelnden

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Analogsignal empfängt, und welcher eine Einrichtung zum Vergleichen.des Ausgangssignals vom Integrator mit einem Bezugswert und zur Durchführiing einer Auswahl zwischen dem Paar-von positiven und negativen Signalen entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs aufweist, so daß der Durch-· schnittswert der Eingangssignale des Integrators auf KuIl abgeglichen wird, wobei zwei Widerstände vorgesehen sind,'daß das Analogsignal als Unterschied zwischen den Spannungsabfällen im ersten und im zweiten Widerstand erzielt wird und das Paar von positiven und negativen Signalen durch einen Spannungsabfall in beiden Wider-? ständen erhalten· wird. . ,

*) die mit dem gleichen Strom gespeist werden und die so angeordnet sind, , - ^;

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Claims

Patentanspruch

Meßvorrichtung für Widerstandsabweichungeri mit einem Analog:Digital~Wandler mit Impulsbreiten-Modulation, gekennzeichnet dur.ch einen Integrator (I), dentals Eingangssignal paarweise positive und negative Signale gleicher Amplitude sowie ein umzuwandelndes Analogsignal zuführbar sind, einen Komparator (H) zum Vergleichen des Ausgangssignals des Integrators (I) gegen, einen Bezugswert sowie zur Durchs führung einer Auswahl zv/ischen dem Paar von positiven und negativen Signalen als Ergebnis des Vergleichs, um auf diese Weise den Durchschnittswert der Eingangs signale des Integrators auf Null abzugleichen und durch eine Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Wi de rs tandsafe weichung, die zwei Widerstände (Rt, Rs) aufweist, die vom gleichen Strom durchflossen werden und so angeordnet sind, daß das Analogsignal als Unterschied der Spannungsabfälle in beiden Widerständen erzielt wird, während die Paare von positiven und negativen Signalen durch einen Spannungsabfall im zweiten Widerstand (Rs) erzeugt werden.'

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