DE2356838A1

DE2356838A1 - Messvorrichtung zur bestimmung einer widerstandsabweichung

Info

Publication number: DE2356838A1
Application number: DE2356838A
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: PL94854B1; GB1388100A; JPS4974081A; DE2356838C3; US3875503A; DE2356838B2; JPS5648835B2

Description

PATENTANWÄLTE HENKEL—KERN —FEILER —HÄNZEL—MÜLLER

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

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: Ilipsoid München D-BODO MÜNCHEN 90 Postscheck: mchn ,621 47-809

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

Jo₇ Japan

MESSVORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINER WIDERSTANDSABWEICHUNG

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Widerstandsabweichung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs, und bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung zur Erzeugung eines eine Meßgröße anzeigenden Digitalsignals. -

Bei der Messung zur Gewinnung eines eine Meßgröße (z.B. eine Temperatur) angebenden Digitalsignals ist es Üblich, zunächst ein elektrisches Analogsignal der gemessenen Temperatur zu erzeugen und dieses dann mittels eines Analog: Digital-Wandlers in ein Digitalsignal umzuwandeln. Hierbei ist in jedem Fall eine Einrichtung zur Umwandlung der Temperatur in ein elektrisches Analogsignal in Verbindung mit einer Einrichtung zur Umwandlung des Analogsignals in ein Digitalsignal erforderlich. Wenn ein Temperaturmeßwiderstand als Temperaturdetektor oder -fühler verwendet wird, besteht die Einrichtung zur Umwandlung der Temperatur in ein elektrisches Analogsignal im allgemeinen aus einer Meßbrücke mit einem Temperaturmeßwiderstand und einem Verstärker zur Verstärkung

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eines Spannungsunabgleichs der Meßbrücke. Andererseits wird es für den AnalogrDigital-Wandler allgemein als zweckmäßig angesehen, einen integrierenden Analog:Digital-Wandler zu verwenden, der nahezu frei ist von Rausch- oder Störeinflüssen. Die Notwendigkeit der Verwendung zweier verschiedener Einrichtungen für die Temperaturmessung ergibt sich daraus, daß bisher keine Einrichtung zur Verfügung stand, welche ein thermisches Signal unmittelbar in ein Digitalsignal umzuwandeln vermag. Der Aufbau eines Digital-Temperaturmeßgeräts ließe sich daher erheblich vereinfachen, wenn ein thermisches Signal unmittelbar in ein für die gemessene Temperatur repräsentatives Digitalsignal umgewandelt werden könnte. Da der Temperaturwert als Abweichung des Widerstandswerts eines Temperaturmeßwiderstands erhalten wird, wäre es für die unmittelbare Umwandlung des thermischen Signals in ein Digitalsignal erforderlich, die Widerstandsabweichung unmittelbar in ein Digitalsignal umzuwandeln.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, weiche eine Widerstandsabweichung oder -änderung, die durch eine physikalische Meßgröße wiedergegeben wird, unmittelbar in ein Digitalsignal umzuwandeln vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Widerstandsabweichung mit einem integrierenden Analog:Digital-Wandler, der einen Integrator zum Integrieren eines umzuwandelnden Analogsignals während einer vorbestimmten Zeitspanne und zum anschließenden Integrieren eines Bezugssignals aufweist, das mit gegenüber dem Analogsignal umgekehrter Polarität integriert wird, bis der integrierte Wert wieder den Ausgangswert erreicht hat, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei von der gleichen Stromquelle gespeiste Widerstände derart angeordnet sind, daß das Analogsignal als Spannungsabfall im ersten Widerstand erhalten wird, während das Bezugssignal als Spannungsabfall im zweiten Widerstand auftritt und ein endgültiges Digitalsignal dadurch erhalten wird, daß die Zeitspanne zwischen einem Zeitpunkt, an dem eine der

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vorbestimmten-Zeitspanne entsprechende Zeitspanne nach Beginn der-'Inte-' gration des Bezugssignals abgelaufen ist, und einem Zeitpunkt gemessen wird/

wieder an dem der integrierte Wert .den Ausgangswert/erreicht. -

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

Fig. 1 ein elektrisches -Schaftbild einer Vorrichtung mit Merkmalennach

• der Erfindung und , . . ■ :

Fig. 2 ,. ·- eine graphische Darstellung der Arbeirsweise.der Vorrichtung gemäß

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Gleichstromquelle E, einen Widerstand Rl, einen Temperaturmeßwiderstand Rt und einen Bezugswiderstand Rs auf. Die Spannung der Gleichstromquelle E wird.der aus den genannten Widerständen Rl, Rt und Rs bestehenden Schaltung eingespeist. Der Verbindungspunkt, an welchem der Temperaturwiderstand. Rf und der'Bezugswiderstand Rs in Reihe geschaltet sind, liegt an Masse. Ein Umschalter S weist Kontakte, 1 und 2 auf, die an die anderen Enden des Temperaturmeßwiderstands Rt bzw. des Bezügswiderstands Rs angeschlossen sind. Außerdem sind ein Widerstand R2₇ ein Kondensator C und ein Operationsverstärker A.vorgesehen> die als Integrator !geschaltet sind. Ein Komparator H dient zum Vergleichen der Ausgangsspannung des Integrators I mit Massepotential zur Lieferung eines Ausgangsimpulses, wenn die Ausgangsspannung des Integrators I den Wert des Massepotentials erreicht. Zusatz-!- lieh sind noch ein Zeit- oder Taktsignal generator TM, eine Schaltersteuereinrichtung CNT und ein Zeitbreitenzähler M vorgesehen. Der Generator TM erzeugt, periodisch drei Impulse Pa/ Pb und Pc in einem konstanten Zeitintervall.. Die-Impulse Pa und Pb werden der Schal tersteueretnrichtung CNT eingespeist, während der Impuls Pc an den Zeitbreitenzähler M angelegt wird. Die Einrichtung CNT vermag den Umschalter S in Abhängigkeit von den Impulsen Pg und Pb

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sowie vom Ausgangsimpuls des Komparator H anzusteuern. Genauer gesagt, wird der Umschalter S durch den Impuls Pa auf den Kontakt 1 und durch den Impuls Pb auf den Kontakt 2 umgelegt, während er durch den Ausgangsimpuls vom Komparator H in einer Neutralstellung gehalten wird. Der Zeitbreitenzähler M mißt digital die Zeitspanne zwischen dem Ausgangsimpuls Pc des Taktsignal generators TM und dem Ausgangsimpuls des Komparator H.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Meßvorrichtung unter Bezug auf Fig. 2 näher erläutert: Wenn der Taktsignal generator TM einen Impuls Pa erzeugt, wird der Umschalter S auf den Kontakt 1 umgelegt, und die am Temperaturmeßwiderstand Rt liegende Spannung wird dem Integrator I als Eingangssignal eingespeist, so daß sich die Ausgangsspannung des Integrators I von einem anfänglichen Null-Zustand aus im positiven Sinn erhöht. Nach Ablauf einer Zeitspanne Tc nach der Erzeugung des ersten Impulses Pa wird ein zweiter Impuls Pb erzeugt, welcher den Umschalter S auf den Kontakt 2 umlegt. Infolgedessen wird die Spannung am Bezugswiderstand Rs dem Integrator I als sein Eingangssignal eingespeist. Da sich die Polarität der Spannung am Bezugswiderstand Rs gegenüber derjenigen am Temperaturmeßwiderstand Rt umkehrt, wird das Ausgangssignal des Integrators I in Richtung auf den Wert Null reduziert. Nach Ablauf einer Zeitspanne Tc nach der Erzeugung des Impulses Pb wird dartn der dritte Impuls Pc erzeugt. Wenn die Ausgangsspärinung des Integrators I den Wert Null erreicht, erzeugt der Komparator H einen Ausgangsimpuls, durch den der Umschalter S in die Neutralstellung umgelegt und die Einspeisung der Eingangssignale zum Integrator I blockiert wird. Nach Beendigung des vorstehend beschriebenen Vorgangs kehrt das Ausgangssignal des Integrators I wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Infolgedessen gilt folgende Gleichung:

, Tc 2Tc+Tx

SET- * V^Rtidt+ *Tc *^wti ^{=0 (1)}

in welcher Tx ein Zeitintervall zwischen dem Impuls Pc und dem Ausgangsimpuls

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des Komparator H bedeutet. Aus obiger Gleichung (1) wird dann das folgende Verhältnis abgeleitet:

(2)

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß Tc in Gleichung (2) eine Konstante darstellt, so daß dann, wenn der Bezugswiderstand Rs bei einer Bezugstemperatur (z.B. 0 C) auf den gleichen Wert festgelegt wird wie derjenige des Temperatumneßwiderstands Rt, der Wert von Gleichung (2) dem gemessenen Temperaturwert proportional wird. Ein den gemessenen Temperaturwert anzeigendes Digitalsignal wird somit dadurch erhalten, daß die Zeitspanne zwischen dem Impuls Pc und dem Ausgangsimpuls des Kcmparators H mittels des Zeitbreitenzählers M digital gezählt oder gemessen wird. ;

Bei einer Temperaturvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ist die dem Integrator I nachgeschaltete Schaltungsanordnung als Doppelsteigungs-Ana!og:Digitai-WandIer bekannt. Es kann mithin gesagt werden, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine vorteilhafte Verbesserung der bekannten AnalogrDigital-Wandler dieser. Art erreicht wird. .

Aus der vorstehenden Beschreibung ,ist ersichtlich, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein thermisches Signal unmittelbar und mit einem einzigen Arbeitsschrift in ein Digitalsignal umgewandelt werden kann.

Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß die Gleichstromquelle E bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht besonders stabil zu sein braucht. Sie ist für den Erfindungszweck brauchbar, wenn die Stabilität während einer kurzen Zeitspanne entsprechend einem Arbeitsvorgang des Integrators I aufrechterhalten wird. Es ist also keine hochstabile Stromquelle für die Erzeugung einer Bezugsspannung erforderlich, wie sie bei den bekannten Analog:Digital-Wandlern dieser Art unweigerlich nötig ist. Gleichwohl ist es sehr einfach, einen Bezugswider-·

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stand hoher Präzision und Stabilität zu erzielen.

Wird die Zeitspanne Tc zu einem der integralen Multiplikation der Periode eines geschätzten Wechselstrom-Rauschens entsprechenden Wert gewählt, so kann zudem ein Meßwert erhalten werden, der durch derartiges Wechselstrom-Rauschen nicht beeinflußt ist. Aus der vorstehenden Beschreibung ist somit ersichtlich, daß mit der Erfindung eine Digital-Temperaturmeßvorrichtung geschaffen wird, die genau und zuverlässig im Betrieb ist und die kostensparend hergestellt werden kann.

Wie aus Gleichung (2) hervorgeht, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im wesentlichen um eine Widerstandsabweichung-Meßvorrichtung, so daß dann, wenn der Temperaturmeßwiderstand Rt durch einen Widerstand Rx unbekannter Größe ersetzt wird, eine Abweichung des unbekannten Widerstands Rx vom Bezugswiderstand Rs gemessen werden kann.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung mithin eine Doppelsteigungs-Widerstandsabweichungsmeßvorrichtung geschaffen, die zweckmäßig für die Messung einer Temperatur unter Verwendung eines Temperaturmeßwiderstands zur Lieferung eines Digitalsignals des gemessenen Temperaturwerts angewandt werden kann. Die Meßvorrichtung basiert auf einem integrierenden Analog: Digital-Wandler, der mit einem Integrator zum Integrieren eines umzuwandelnden Analogsignals während einer vorbestimmten Zeitspanne und zum anschließenden Integrieren eines Bezugssignals mit gegenüber dem Analogsignal entgegengesetzter Polarität, bis der integrierte Wert den ursprünglichen Wert wiederherstellt, versehen ist. Die Meßvorrichtung weist zwei Widerstände auf und ist so ausgelegt, daß das Analogsignal als Spannungsabfall im ersten Widerstand erhalten wird, das Bezugssignal ■■ als Spannungsabfall im zweiten Widerstand auftritt und das endgültige Digitalsignal durch Messung der Zeitspanne zwischen einem Zeitpunkt, an dem eine der vorbestimmten Zeitspanne für die Integration des Analogsignals entsprechende Zeitspanne nach Beginn der Integration des Bezugssignals abgelaufen ist, und

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einem Zeitponkf erhalten wird, an dem der integrierte Wert einen ursprünglichen Wert wiederherstellt. ■

Außerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung an die Messung jeder beliebigen anderen physikalischen Größe angepaßt werden, die sich als eine Änderung" eines elektrischen Widerstands feststellen läßt·.

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Claims

-R-

PATENTANSPRUCH

Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Widerstandsabweichung mit einem^integrierenden AnalogrDigital-Wandler, der einen Integrator zum Integrieren eines umzuwandelnden Analogsignals während einer vorbestimmten Zeitspanne und zum anschließenden Integrieren eines Bezugssignals aufweist, das mit gegenüber dem Analogsignal umgekehrter Polarität integriert wird, bis der integrierte Wert wieder den Ausgangswert erreicht hat, dadurch gekennzeichnet , daß zwei von der gleichen Stromquelle (E) gespeiste Widerstände (Rt, Rs) derart angeordnet sind, daß das Analogsignal als Spannungsabfall im ersten Widerstand (Rt) erhalten wird, während das Bezugssignal als Spannungsabfall im zweiten Widerstand (Rs) auftritt und ein endgültiges Digitalsignal dadurch erhalten wird, daß die Zeitspanne (Tx) zwischen einem Zeitpunkt, an dem eine der vorbestimmten Zeitspanne (Tc) entsprechende Zeitspanne nach Beginn der Integration des Bezugssignals abgelaufen ist, und einem Zeitpunkt gemessen wird, an dem der integrierte Wert den Ausgangswert wiedeijerreicht.

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