DE2544591A1

DE2544591A1 - Linearisierungsschaltung fuer messfuehler mit nichtlinearer kennlinie

Info

Publication number: DE2544591A1
Application number: DE19752544591
Authority: DE
Inventors: Franz Ing Grad Kolb
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1977-04-14

Description

Linearisirungsschaltung für Messfühler
mit nichtlinearer Kennlinie Zusatz zu P 25 35 049.6 Die Erfindung betrifft eine Linearisierungsschaltung für Messfühler mit nichtlinearer Kennlinie unter Verwendung eines mehrdekadischen Spannungsgebers nach Patent ....... (Anmeldung P 25 35 049.6).
Zur Temperaturmessung verwendet man in der Technik vorzugsweise Thermoelemente, Widerstandsthermometer, Heiss- oder Kaltleiter. Alle Vorgenannten Temperaturfühler haben aber eine mehr oder weniger sichtlineare Kennlinie, d.h. die Änderung ihrer elektrischen Werte (Thermospannung beim Thermoelement, Widerstand beim Widerstandsthermometer und bei Heiss- und Kaltleitern) ist nicht genau proportional der Temperatur. Bei kleinen Messbereichen (z.B. 30 bis 400C) und möglichst linearen Fühlern (NiCr-Ni Thermoelemente oder PT 100-Widerstandsthermometer) verursacht diese Nichtlinearität nur kleine Fehler, die oft vernachlässigbar sind. Sind jedoch grössere Messbereiche erforderlich (z.B. über 100°C) oder werden stark nichtlineare Temperaturfühler verwendet (z.B. Heiss- oder Kaltleiter), muss die nichtlineare Kennlinie der Fühler linearisiert werden. Das kann entwedet auf der digitalen oder auf der analogen Seite nach verschiedenen Methoden geschehen.
Die Linearisierung auf der analogen Seite wird beispielsweise anhand der Linearisierung eines Widerstandsthermometers mit einer Platin-Messwicklung beschrieben: Der elektrische Widerstand von Messwiderständen mit Platin-Messwicklung nach DIN 43760 weist folgende Abhängigkeit von der Temperatur auf: 2 RT = RO (1 + AT - BT²) A # 3,3.10-3 B # 0,6.10-6 RT ... Widerstand bei Temperatur "T" (°C) Widerstand bei 0 °C Die Messwicklung wird von einem konstanten Strom von lmA durchflossen, der einen dem elektrischen Widerstand proportionalen Spannungsabfall hervorruft. Diese an der Messwicklung abfallende Spannung ist: U = I. RT (1 + AT - BT²) Sie besteht aus zwei Anteilen, einem linear mit steigender Temperatur zunehmenden: UL = I. RT (1 + AT) und einem mit dem Quadrat der Temperatur abnehmenden: = I. Rm (-BT²) Q Indem z.B. der lineare Anteil mit Hilfe einer Diode mit logarithmischer Kennlinie quadriert wird, kann er einem subtrahierenden Rechenverstärker zugeführt werden, der ihn in geiegneter Grösse vom linearen Signal abzieht.
"U", ist dann das linearisierte Ausgangssignal, das proportional mit der Temperatur "T" zunimmt.
Die mögliche Linearisierung auf der digitalen Seite wird ebenfalls anhand eines Widerstandsthermometers mit Platin-Messwicklung, die der Funktion RT = RO (1 + AT - BT²) gehorcht, beschreiben: Die Messwicklung wird von einem konstanten Strom von z.B. lmA durchflossen. Dieser ruft an der Messwicklung einen Spannungsabfall hervor, der - nach evtl. Verstärkung - einem (linearen) Analog-Digital-Wandler zugeführt wird. Die digitalen Ausgangssignale des A/D-Wandlers werden nun einem digital arbeitenden Rechenwerk zugeleitet, das durch Subtraktion des quadratischen Anteils die Linearisierung vornimmt und digitale Signale, die der Temperatur entsprechen, ausgibt.
Diese bisher bekannten Linearisierungsverfahren sind jedoch für viele Zwecke nicht genau genug und teilweise zu aufwendig.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Linearisierungsverfahren zu finden, das im Hinblick auf Genauigkeit oder Temperaturabhängigkeit kritische oder im Hinblick auf den Preis und/oder die Grösse aufwendige Anordnungen, wie z.B. das Quadrieren und das nachfolgende Subtrahieren beim Analog- und digitalen Verfahren, vermeidet und gewisse Mindestgenauigkeitsanforderungen erfüllt.
Diese Aufgabe wurde unter Verwendung eines mehrdekadischen Spannungsgebers gemäß Patent ............ (Anmeldung P 25 35 049.6) dadurch gelöst, dass die Gesamtausgangsspamlung des mehrdekadischen Spannungsgebers - abhängig von der Stellung der höchstwertigen Dekade - so erhöht oder verringert wird, dass eine polygonzugartige Anpassung an die nichtlineare Kennlinie des Messfühlers erfolgt, und zwar durch stufenweise Erhöhung oder Verringerung der Gesamtverstärkung des Summierverstärkers oder eines vorhergehenden oder nachfolgenden Verstärkers.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Schaltung wird in der Abbildung anhand einer Messanordnung mit einem Platin-Widerstandsthermometer näher erläutert R4 ist ein Pt-Messwiderstand mit der Funktion: RT = RO (1 + Z [A-B.T]), der mit Hilfe des Operationsverstärkers OV1 und der durch die Referenzdiode D1 aus der Versorgungsspannung V+ gewonnenen Referenzspannung eine seinem Widerstand proportionale Spannung U1 mit einer Steilheit von z.B. 3mV/°C erzeugt. Im Operationsverstärker OV2 wird diese Spannung beispielsweise um den Faktor "10" verstärkt (10,R10 = R7), so dass sich im Ausgang vo CV2 eine Steilheit von 30 mV/°C ergibt. Der nicht gewünschte Anfangsbereich wird durch eine aus dem Spannungsteiler R6, Rs gewonnene stabilisierte Gegen spannung unterdrückt, so dass z.B. U3 = 0 Volt bei °C und U3 = 6 Volt bei 200°C (lineare Kennlinie des Messwiderstandes vorausgesetzt wird.
Mit Hilfe des aus den Präzisionswiderständen P11 bis R19 gebildeten Spannungsteilers und der durch D 1 erzeugten Referenzspannung werden neun genau gleiche Spannungen erzeugt, die den einpoligen Umschaltern Sla und S2 zugeführt werden. Im Ausgang dieser Umschalter liegen die als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker OV3 und OV4.
Die Ausgänge von OV3 und OV4 werden über die Eingangswiderstände R22 und K23 einem aus dem Operationsverstärker OV5 gebildeten, summierenden Verstärker zugeführt. Wird z.B. R22 = 1 K#, R23 = 10 K# und R33 = 1 K # gewählt und der Umschalter S1b ist in der O-Opositions, so gilt: Da der Umschalter S1b synchron mit dem Umschalter S1a umschaltet, wird sich die Verstärkung von OV5 bei Betätigen von S1 (a und b) von Stufe zu Stufe ändern und somit eine polygonzugartig nichtlineare Ausgangsspannung U6 erzielt. Die Spannung U6 wird im Komparator OV6 mit der Spannung U3 verglichen. U6 wird durch Betätigen von S1 (a und b) und S2 so lange verändert, bis U6 = U3, d.h. die Ausgangsspannung von OV6 = 0 ist.
Die Stellung der Schalter S1 (a und b) und S2 ist dann bei entsprechender Dimensionierung von R24 bis R33 mit guter Näherung proportional der Temperatur von R4.
Vorzugsweise werden die Umschalter S1a, S1b und S2 aus Halbletern aufgeabut und durch eine, hier nicht gezeigte Steuerlogik angesteuert. Verwendbar sind aber auch Relais, wie z.B.
REED-Relais.
Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn das Aggregat, bestehend aus S1b und R24 bis R33 anstelle von R10 eingesetzt wird und somit die Verstärkung des Temperaturfühlersignals mit steigender Temperatur reduziert bzw. erhöht wird.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die erforderliche Änderung der Verstärkung des Summierverstärkers OV5 durch Vergrösserung oder Verkleinerung des Gegenkopplungswiderstandes bewirkt wird.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die erforderliche yerstärkungs änderung eines Verstärkers mit programmierbarer Verstärkung durch Erhöhung oder Erniedrigung des Verstärkervorstroms erzielt wird, wie z.B. bei Transkonduktanzverstärkern.
Die Anwendung dieser Linearisierungsschaltung ist aber keinesfalls auf Temperaturfühler mit nichtlinearer Kennlinie beschränkt, sondern überall dort möglich, wo elektrische Signale gemessen werden, die einen nichtlinearen Zusammenhang mit der physikalischen Grösse, die sie abbilden, aufweisen.
L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSHÜCllE 1. Linearisierungsschaltung für Messfühler mit nichtlinearer Kennlinie unter Verwendung eines mehrdekadischen Spannungsgebers nach Patent ........... (Anmeldung P 25 35 049.6), dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtausgangsspannung des mehrdekadischen Spannungsgebers, abhängig von der Stellung der höchstwertigen Dekade so erhöht oder verringert wird, dass eine polygonzugartige Anpassung an die nichtlineare Kennlinie des Messfühlers erfolgt, und zwar durch stufenweise Erhöhung oder Verringerung der Gesamtverstärkung des Summiverstärkers oder eines vorhergehen den oder nachfolgenden Verstärkers.
2. Linearisierungsschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Änderung der Verstärkung durch Vergrösserung oder Verkleinerung des Gegenkopplungswiderstandes eines Verstärkers bewirkt wird.
3. Linearisirungsschaltung nahc Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Änderung der Verstärkung eines Verstärkers mit programmierbarer Verstärkung durch Erhöhung oder Erniedrigung des Verstärkervorstromes erzielt wird. .
4. Linearisierungsschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der zur Verstärkungsänderung erforderlichen widerstände durch uni-oder bipolare Halbleiter erfolgt.