DE2451281B2 - Meßvers tärker - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Meßverstärker zur Verwendung bei in Reihe geschalteten und an einer gemeinsamen Spannungsquelle liegenden Widerständen, von denen mindestens einer ein Temperaturfühler ist, und zur Erzeugung eines Gleichstroms, der der Spannungsdifferenz der Gleichspannungen über den Widerständen proportional ist

In der Meßtechnik stellt sich wieder die Aufgabe, die Differenz zweier Gleichspannungen zu messen, und zwar insbesondere in Schaltungen, in denen eine galvanische Trennung der den beiden Spannungen zugeordneten Meßpunkte nicht möglich ist, was insbesondere bei kleinen, zu messenden Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen zu Schwierigkeiten führen kann. Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten wurde eine Reihe von Spezialschaltungen entwickelt, mit deren Hilfe es möglich war, unter den jeweiligen Bedingungen die Spannungsdifferenz mit der gewünschten Genauig

keit zu ermitteln.

Bei der Messung von Temperaturen auf elektrischem Wege mit Hilfe von Thermoelementen oder Widerstandsthermometern wird beispielsweise mit mehr oder weniger komplizierten Brückenschaltungen und Kompensaiionsschaltungen gearbeitet, mit deren Hilfe die zu messende Spannung bzw. Widerstandsänderung die sehr klein ist, im allgemeinen mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden kann. Die Schwierigkeiten bei der Temperaturmessung sind dabei insbesondere darauf zurückzuführen, daß sowohl beim Arbeiten mit Thermoelementen als auch beim Arbeiten mit Widerstandsthermometem aus einem größeren Temperaturbereich kleine Meßbereiche herausgeschnitten werden müssen, was eine Nullpunktanhebung bzw. -unterdrükfcung erforderlich macht

Während beim Arbeiten mit Widerstandsthermomeitern im allgemeinen Strommessungen durchgeführt werden, wobei beispielsweise Kreuzspulmeßwerke verwendet werden, um Stromdifferenzen in verschiedenen Leiterschfeifen zu ermitteln, wird bei der Widerstandsmessung mit Hilfe von Thermoelementen gegen eine Vergleichsspannung gemessen, die üblicherweise durch eine sogenannte Temperaturausgleichsschaltung erzeugt wird, die dazu dient, den Einfluß von Temperaturschwankungen an der Vergleichsstelle auf das Meßergebnis auszuschalten.

Was die Temperaturmessung auf elektrischem Wege anbelangt, so unterscheiden sich derzeit nicht nur die Meßschaltungen für Thermoelemente und Widerstandsthermtometern; je nach den Genauigkeitsforderungen werden nämlich bei der Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern Zwei-, Drei- und Vier-Leiteranordnungen verwendet, die jeweils wieder andere Meßschaltungen verlangen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß derzeit für die Temperaturmessung keine Meßschaltung zur Verfügung steht, welche die Einhaltung der geforderten Toleranzen sowohl bei Verwendung von Thermoelementen als auch bei Verwendung von temperaturunabhängigen Widerständen sowie bei Zwei-, Drei- und Vier-Leiterschaltungen gewährleistet

Ein typisches Beispiel für den Stand der Technik auf dem Gebiet der Temperaturmessung findet sich beispielsweise in der Firmendruckschrift »Gebrauchsanleitung TE/G 81-2« der Firma Hartmann & Braun aus dem Jahre 1970. Der dort beschriebene steckbare Meßverstärker enthält einen Differenzverstärker, dessen Eingänge mit der Serienschaltung eines Thermoelements und einer Brückendiagonalen verbunden sind, wobei die zu der Brückendiagonalen gehörige Brücke mit einer automatischen Vergleichsstellenkompensation in einem der Brückenzweige ausgerüstet ist. Weiterhin besteht bei dem bekannten MeOverstärker die Möglichkeit, die Eingänge des Differenzverstärkers mit einem Netzwerk zur Nullpunkteinstellung, Offsetkompensation und ggfs. Temperaturkompensation zu verbinden, wobei diesen Netzwerk das Meßsignal nach Durchlaufen einer Brückenschaltung zugeführt wird. Eine Möglichkeit für die direkte Messung der Spannung über zwei verschiedenen Widerständen besteht bei diesem bekannten Meßverstärker nicht.

Weiterhin beschreibt die DT-OS 2103 465 eine Einrichtung zur Addition und/oder Subtraktion von Meßgleichströmen, bei der die einzelnen Meßgleichströme über einen Meßübertrager mit mehreren Primärwindungen und einer Sekundärwicklung mit nachgeschaltetem phasenempfindlichen Demodulator

zugeführt werden und wobei eine galvanische Trennung der Meßgleichströme gefordert wird. Diese bekannte Schaltung bietet die Möglichkeit einer echten Differenzbildung, jedoch nicht für Spannungen über galvanisch nicht voneinander getrennten Widerständen, wobei sich wegen der Verwendung eines mindestens drei Wicklungen aufweisenden Meßübertragers auch ein erheblicher Spannungs- bzw. Strombedarf ergibt, der von den zur Verfügung stehenden Thermoelementen oder Widerstandsthermometern nicht gedeckt werden könnte. Bei to der bekannten Schaltung werden die Meßgleichströme der Primärwicklungen des Meßübertragers über Zerhackerkreise mit gegenphasig angesteuerten Schalttransistoren zugeführt, wie dies auch bei anderen Meßverstärkern üblich ist (vgl. Zeitschrift »Funk-Technik«, 1974, Nr, 16, Seite 575, Elektronische Meßzerhakker). Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Meßverstärker vorzuschlagen, welcher vielseitig einsetzbar und zum Zwecke der Temperaturmessung in einfachster Weise an alle gestellten Meßaufgaben anpaßbar ist

Diese Aufgabe wird durch einen Meßverstärker der eingangs beschriebenen Art gelöst, welcher gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei mittels eines Oszillators getaktete Zerhacker vorgesehen sind, an deren Eingänge jeweils eine der beiden Gleichspannungen anlegbar ist, daß die Ausgänge der beiden Zerhacker mit den beiden Eingängen einen Differenzverstärker verbunden sind, der aus zwei in Elektro- ίο meterschaltung geschalteten Operationsverstärkern aufgebaut ist und mit dessen Ausgang ein Wechselspan nungsverstärker verbunden ist, und daß der Ausgang des Wechselspannungsverstärkers mit einem durch den Oszillator getakteten Demodulator zur phasenrichtigen Gleichrichtung verbunden ist, von dessen Ausgang der Gleichstrom abgreifbar ist

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Differenz zweier Spannungen gemessen werden kann, gleichgültig, ob sie einen gemeinsamen Bezugspunkt besitzen oder nicht. Das bedeutet, daß beispielsweise die Differenz der Spannungsabfälle an zwei Widerständen gemessen werden kann, die hintereinandergeschaltet sind und vom gleichen Strom durchflossen werden, aber keinen gemeinsamen Be- »5 zugspunkt besitzen.

Es ist auch ein Vorteil der Meßschaltung gemäß der Erfindung, daß die Gleichspannungen praktisch leistungslos gemessen werden, insbesondere wenn die Zerhacker, vorzugsweise als integrierte Schaltungen, so aus MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut sind. Die erfindungsgemäße Meßschaltung ist somit auch dort einsetzbar, wo keine galvanische Trennung zwischen den Meßpunkten möglich ist, an denen die beiden voneinander zu subtrahierenden Spannungen abgegriffen werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßschaltung besteht darin, daß die Verstärkung der sehr niedrigen Meßspannungen bzw. der aus ihnen erhaltenen Differenzspannung in einem Wechselspannungs- verstärker erfolgen kann, welcher bei gleicher Meßgenauigkeit wesentlich billiger zu realisieren ist als ein Gleichspannungsverstärker. Der erfindungsgemäße Meßverstärker ist damit vorbekannten Meßschaltungen überlegen, bei denen bereits mit einem Gleichspannungs-Differenzverstärker in der Brückendiagonalen einer Brückenschaltung von Zwei- und Drei-Leitertemperaturmeßschaltungen gearbeitet wurde.

Des weiteren ist es ein Vorteil des Meßverstärkers gemäß der Erfindung, daß mit seiner Hilfe in einfacher Weise eine Linearisierung einer nicht linearen Kennlinie eines elektrischen Gebers erreicht werden kann, wie dies im Prinzip bereits in der DT-AS 2015132 beschrieben ist

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand dei Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Meßverstärkers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Meßverstärkers gemäß F i g. 1 und

F i g. 3a bis g eine Reihe schematischer Schaltbilder zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten eines Meßverstärkers gemäß F i g. 1 und 2.

Wie aus F i g. 1 der Zeichnung deutlich wird, umfaßt der Meßverstärker gemäß der Erfindung bzw. die erfindungsgemäße Meßschaltung zur Ermittlung der Differenz zweier Gleichspannungen t/l und LJ2 zwischen jeweils zwei Anschlüssen 10, 23 bzw. 14, 16 folgende Schaltkreise: Zerhacker 18, 20 einen Differenzverstärker 22, einen Wechselspannungs verstärker 24 und einen Oszillator 26 sowie vorzugsweise einen Ausgangsverstärker 28 und eine gesteuerte Stromquelle 30 und außerdem einen Demodulator 25.

In der Meßschaltung gemäß F i g. 1 werden die beiden Zerhacker 18, 20 an deren Eingängen, welche die Anschlüsse 10 bis 16 der Meßschaltung bilden, die Gleichspannungen i/l und t/2 anliegen, von dem Oszillator 26 getaktet, der mit beiden Zerhackern 18,20 verbunden ist. Die Ausgänge der beiden Zerhacker 18, 20 sind mit dem Differenzverstärker 22 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit dem Wechselspannungsverstärker 24 verbunden ist, auf den ein Demodulator 25 folgt, der ebenfalls von dem Oszillator 26 getaktet ist und der phasenrichtigen Gleichrichtung des Ausgangssignals des Wechselspannungsverstärkers 24 dient. Das Ausgangssignal des Demodulators 25 wird vorzugsweise mit I Iilfe eines Ausgangsverstärkers 28 verstärkt, der einen der Spannungsdifferenz der beiden Gleichspannungen t/l, t/2 proportionalen Ausgangsstrom l_A liefert.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Meßschaltung wird aus dem Prinzipschaltbild gemäß F i g. 2 deutlich. Man erkennt, daß die beiden Zerhacker 18,20 im Prinzip ein im Gegentakt gesteuertes Schalterpaar Sl, S2, S3, S4 umfassen, wobei die in üblicher Weise angedeuteten, im allgemeinen komplementären und um 180° phasenverschobenen Taktimpulse Tl, T2 von dem Oszillator 26 erzeugt werden. Über den jeweils geschlossenen Schalter — in F i g. 2 die Schalter S2, S4 — wird das Potential an dem zugeordneten Anschluß an den entsprechenden Eingang 32 bzw. 34 des Differenzverstärkers 22 übertragen.

Wie aus F i g. 2 deutlich wird, besteht der Differenzverstärker 22 aus zwei Operationsverstärkern 36,38, die in Elektrometerschaltung geschaltet sind und kapazitive Eingänge 32 bzw. 34 besitzen. Die jeweilige Differenzspaiinung Ud am Ausgang 40 des Differenzverstärkers 22 v/ird dem Wechselspannungsverstärker 24 zugeführt, der wieder einen Operationsverstärker 42 umfaßt, dessen Verstärkung über ein Potentiometer 44 im Rückkoppelungszweig einstellbar ist An den Ausgang 46 des Wechselspannungsverstärkers 24 bzw. des Operationsverstärkers 42 ist kapazitiv der Demodulator

25 angekoppelt. Der Demodulator 25 besteht im Prinzip aus einem getakteten Schalterpaar 55, 56, wobei die Steuerung der Schalter 55,56 wieder durch Taktimpulse Ti, T2 vom Oszillator 26 erfolgt sowie aus zwei den beiden Schaltern zugeordneten ÄC-Gliedern, welche die Spannung in dem entsprechenden Schalterzweig integrieren. Zwischen den beiden Ausgangsklemmen 48, 50 des getakteten Demodulators 25, der eine phasenrichtige Gleichrichtung des ihm zugeführten Eingangssignals bewirkt, liegt eine Ausgangsspannung Ua, die der Differenzspannung Ud proportional ist. Die Ausgangsspannung Ua kann in einfacher Weise in einen der Differenzspannung Ud proportionalen Strom umgewandelt werden, indem man zwischen die Ausgangsklemmen 48,50 einen in geeigneter Weise dimensionierten Widerstand einfügt In den meisten Fällen hat es sich doch als zweckmäßig erwiesen, die Ausgangsspannung Ua noch einem Ausgangsverstärker 28 zuzuführen, wie er in F i g. 1 gezeigt ist, um einen der Spannungsdifferenz proportionalen Ausgangsstrom U zu erhalten. Bei Verwendung von MOS-Feldeffekttransistoren für die Schalter 51 bis 56 läßt sich ein weitgehend leistungsloser Betrieb der Schaltung gemäß Fig.2 erreichen, wobei die Verstärkung 36, 38 und 42 vergleichsweise billige, handelsübliche Operationsverstärker in Form integrierter Schaltungen sein können.

Bevorzugte Einsatzmöglichkeiten für die Meßschaltung gemäß der Erfindung werden nachstehend anhand der F i g. 3a bis 3g näher erläutert. Von diesen Figuren zeigt die Fig.3a eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer Zwei-Leiter-Temperaturmeßschaltung mit einem temperaturabhängigen Widerstand Rt, dessen Zuleitungen jeweils den Leitungswiderstand Rl besitzen, wobei ferner ein Widerstand NP zum Einstellen des Nullpunktes vorgesehen ist. Die Temperaturmeßschaltung gemäß F i g. 3a, bzw. der dort dargestellte Teil derselben, besitzt Anschlüsse 10 bis 16, die den Anschlüssen 10 bis 16 der Meßschaltung gemäß F i g. 1 entsprechen bzw. mit diesen zu verbinden sind. Ferner sind zwei Anschlüsse 17 und 19 vorgesehen, von denen der Anschluß 19 mit dem positiven Pol ( + ) einer Speisespannungsquelle verbunden ist (Fig. 1), während der Anschluß 17 mit dem Ausgang der gesteuerten Stromquelle 30 verbunden bzw. zu verbinden ist. Die gesteuerte Stromquelle 30 liefert den Strom für den temperaturabhängigen Widerstand R_T, wobei dieser Strom in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom Ia bzw. einem davon abgeleiteten Strom so gesteuert wird, daß die Richtlinearität des Temperaturverhaltens des Widerstandes Rt ausgeglichen wird. Die Anschlüsse 10 bis 16, 17 und 19 können in einer Steckereinheit zusammengefaßt sein, über welche die eigentliche Meßschaltung 1 mit den in Fig.3a bis 3g dargestellten Schaltkreisteilen verbindbar ist.

Die F i g. 3b bis 3g zeigen der Darstellung gemäß F i g. 3a entsprechende Darstellungen folgender Schaltungen:

Drei-Leiter-Widerstandsmeßschaltung (Fi g. 3b),
Vier-Leiter-Widerstandsmeßschaltung (Fi g. 3c),
Temperaturdifferenz-Meßschaltung mit zwei temperaturabhängigen Meßwiderständen Rt und Rt¹ (Fig. 3d) jeweils in Zwei-Leiterschaltung,
Temperatuirdifferenz-Meßschaltung mit zwei temperaturabhfängigen Meßwiderständen Rt, Rt¹ je-ο weils in Vier-Leiterschaltung (F i g. 3e),

Temperaturmeßschaltung mit Thermoelement TH und mit Nullpunktabsenkung oder -anhebung (F i g. 3f) und

Temperaturmeßschaltung mit Thermoelement TH in Brücken schaltung mit einem Temperaturausgleichswiderstand Ra und Nullpunktanhebung oder -absenkung (F i g. 3g),

Man erkennt aus den F i g. 3a bis 3g, die im übrigen aus sich selbst verständlich sind, daß die erfindungsgemäße Meßschaltung gemäß F i g. 1 außerordentlich vielseitig einsetzbar ist, was für die Lagerhaltung, für die Produktion und nicht zuletzt für die automatische Überwachung einer Vielzahl von Meßstellen in einer Meßwarte entscheidende Vorteile mit sich bringt Es steht damit eine Meßschaltung zur Verfügung, mit der man sich die bereits sehr weit fortgeschrittene Normung der eigentlichen Meßteile von Temperaturmeßeinrichtungen in verstärktem Maße zunutze machen kann. Dabei versteht es sich, daß Vorsorge getroffen wird, damit die gesteuerte Stromquelle nur dann aktiviert wird, wenn dies zur Linearisierung der Meßergebnisse erforderlich oder wünschenswert ist. In anderen Fällen, wie z. B. bei einer reinen Spannungsmessung, wird der Anschluß 17 mit einer geeigneten Spannungs- bzw. Stromquelle verbunden. Im übrigen deuten die gestrichelt eingezeichneten Leiter in den F i g. 3g und 3f die Möglichkeit einer Spannungsumpolung an.

Abschließend sei noch einmal besonders auf die Temperaturdifferenz-Meßschaltung gemäß F i g. 3c verwiesen, in der zwei temperaturabhängige Meßwiderstände Rt und /?/ vorgesehen sind, die beide in Vier-Leiterschaitung geschaltet sind, um dem Einfluß der Leitungswiderstände Rl zu eliminieren bzw. auf ein Minimum zu reduzieren. Obwohl die Meßwiderstände Ar, Rt¹ die vom gleichen Strom durchflossen werden, in dieser Schaltung keinen gemeinsamen Bezugspunkt besitzen, und zwar wegen der zwei zwischen ihnen liegenden Leitungswiderstände Rl, liefert die erfindungsgemäße Meßschaltung einwandfreie Meßergeb-5π nisse hinsichtlich der Spannungsdifferenz der über den beiden Meßwiderständen Rt, Rt¹ abfallenden Spannungen. Beide Spannungen werden nämlich von den zugeordneten Zerhackern unmittelbar und unabhängig von einem ßezugspotential abgetastet und den Differenzverstärkern zugeleitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Meßverstärker zur Verwendung bei in Reihe geschalteten und an einer gemeinsamen Spannungsquelle liegenden Widerständen, von denen mindestens einer ein Temperaturmeßfühler ist, und zur Erzeugung eines Gleichstroms dient, der der Spannungsdifferenz der Gleichspannungen über den Widerständen proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mittels eines Oszillators (26) getaktete Zerhacker (18, 20) vorgesehen sind, an deren Eingänge jeweils eine der beiden Gleichspannungen (Ul, 1/2) anlegbar ist, daß die Ausgänge (32,34) der beiden Zerhacker (18,20) mit den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers (22) verbunden sind, der aus zwei in Elektrometerschaltung geschalteten Operationsverstärkern (36, 38) aufgebaut ist und mit dessen Ausgang (40) ein Wechselspannungsverstärker (24) verbunden ist, und daß der Ausgang (46) des WechseJspannungsverstärkers (24) mit einem durch den Oszillator (26) getakteten Demodulator (25) zur phasenrichtigen Gleichrichtung verbunden ist, von dessen Ausgang der Gleichstrom abgreifbar ist.

2. Meßverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhacker (18,20) und/oder der Demodulator (25) aus MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut sind.

3. Meßverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker (36, 38) integrierte MOS-Feldeffekttransistor-Schaltungen sind.

4. Meßverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Demodulator (25) ein Ausgangsverstärker (28) nachgeschaltet ist, von dessen Ausgang ein der Spannungsdifferenz (Uo) proportionaler, verstärkter Ausgangsstrom (Ia) ableitbar ist

5. Meßverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Ausgang des Ausgangsverstärkers (28) eine gesteuerte Stromquelle (30) verbunden ist, mit deren Hilfe in an sich bekannter Weise ein gesteuerter Strom zur Linearisierung der Kennlinie eines temperaturabhängigen Widerstandes (Ri) erzeugbar ist.