DE2648597C3 - Verfahren und Vorrichtung zum LJnearisieren der Ausgangsgröße eines elektronischen Bauelementes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum LJnearisieren der Ausgangsgröße eines elektronischen Bauelementes

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DE2648597C3 DE2648597A DE2648597A DE2648597C3 DE 2648597 C3 DE2648597 C3 DE 2648597C3 DE 2648597 A DE2648597 A DE 2648597A DE 2648597 A DE2648597 A DE 2648597A DE 2648597 C3 DE2648597 C3 DE 2648597C3
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche I und 5. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind insbesondere aus der Zeitschrift »Electronic Engineering«, 44 (1972) Oktoberheft, Seiten 18 bis 70 bekannt.
Nichtlineare Kennlinien von elektrischen Bauelementen schränken insbesondere die Verwendung derartiger Bauelemente zu Meßzwecken ein. Verwendet man beispielsweise einen NTC-Thermistor zur Temperaturmessung, indem man die an ihm bei einem bestimmten zugeführten Strom abfallende Spannung mißt, so stellt man fest, daß diese Spannung mit steigender Temperatur exponentiell abnimmt. Führt man diese Spannung einem analogen Meßgerät zu und eicht dessen Skala in Temperatureinheiten, so erhält man eine nichtlineare Skalenteilung. Will man die Temperatur digital anzeigen, so muß man die Thermistor-Kennlinie durch eine passende Schaltung linearisieren. Nach dem Stand der Technik benutzt man für die Linearisierung der exponentiellen Kennlinie Widerstandsnetzwerke, d. h. man nähert die Exponentialfunktion durch eine rationale Funktion an. Diese Annäherung ist mit annehmbarer Genauigkeit jedoch nur über einen relativ begrenzten Temperaturbereich möglich.
Der in den Ansprüchen 1 und 5 gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit hinreichender Genauigkeit über einen großen Bereich zu schaffen, das bzw. die außerdem eine digitale Ausgangsgröße zu liefern im Stande ist
Die gemessene Zeitdauer ist der Eingangsgröße, z. B. der Temperatur bei einem NTC-Thermtstor direkt proportional. Die Zeitmessung kann aui digitalem Wege durch Zählung der Impulse eines Referenzpulses erfolgen. Zweckmäßigerweise werden dabei die Zeitkonstante der Ausgangsgröße der Referenzschaltung und die Pulsfrequenz so aufeinander abgestimmt, daß entsprechend einem vorgegebenen Maßstab einer Einheit der Ausgangsgröße des Bauelementes eine bestimmte Anzahl von Impulsen entspricht. Der jeweilige Zählwert kann dann unmittelbar angezeigt werden.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer Temperaturmeßeinrichtung mit einem NTC-Thermistor als Temperaturfühler und einer linearen Anzeige und
Fig.2 ein Zeitfolge-Diagramm für einige in der Schaltung gemäß F i g. 1 auftretende Signale.
In Fig. 1 ist mit Rt ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC-Thermistor) bezeichnet, der sich an einer Stelle befindet, deren Temperatur gemessen werden soll. R0 und Λ51.2 sind Referenzwiderstände hoher Konstanz und Genauigkeit deren Widerstandswerte denen des Thermistors RT bei 00C bzw. 51,2° C entsprechen. Die Widerstände Rp, /?rund Rm sind über drei gleiche Widerstände R mit einer Referenzspannungsquelle Urei verbunden. Die Widerstände R sind groß gegen die Widerstände Ro, /?rund /?5u und müssen relativ zueinander sehr genau gleich sein. Die Genauigkeit ihres absoluten Wertes ist dagegen unkritisch. Bei der gegebenen Bemessung der Widerstände sind die Ströme durch die dargestellten drei Zweige nahezu gleich und konstant, und die Spannungen Uo, Utund IAu sind den Widcistandwerten Ro, Rt bzw. Λ51.2 proportional.
Die Spannungen Uo, Ut und ίΛι.2 sind über Schalter 11, 13 bzw. 15 und einen Verstärker 17 mit einem Verstärkungsfaktor K dem einen Eingang eines !Comparators 19 zuführbar. Der andere Eingang des !Comparators 19 ist mit einem /?C-Glied 21 verbunden, welches seinerseits über einen Schalter 23 mit dem Ausgang des Verstärkers 17 verbindbar ist. Der Ausgang des !Comparators 19 ist mit dem Löscheingang eines Flipflops 25 verbunden.
Die Betätigung der Schalter 11, 13, 15 und 23 erfolgt durch einen Zeitgeber 27 in einer Zeitfolge, die weiter unten in Verbindung mit Fig.2 erläutert wird. Ein Ausgangssignal 51 des Zeitgebers 27 schließt die Schalter Il und 23 und dient gleichzeitig als Rückstellsignal für einen binären Zähler 20. Ausgangssignale 52 und 53 des Zeitgebers 27 schließen die Schalter 13 bzw. 15 und werden außerdem je einem Eingang eines UND-Gliedes 31 bzw. eines UND-Gliedes 33, eines UND-Gliedes 34 und eines UND-Gliedes 41 zugeführt. Weiterhin werden die beiden Ausgangssignale 52 und 53 den beiden Eingängen eines ODER-Gliedes 35 zugeführt.
Der Ausgang des ODER-Gliedes 35 ist über eine monostabile Kippstufe 37 mit dem Setzeingang des Flipflops 25 verbunden. Der Ausgang des Flipflops 25 ist mit dem einem Eingang eines UND-Gliedes 39, dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 41 sowie mit einem invertierenden Eingang des UND-Gliedes 31 verbunden. Dem anderen Eingang des UND-Gliedes 39 sowie des UND-Gliedes 34 wird das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators 43 zugeführt Die Ausgangssignale der UND-Glieder 33 und 41 werden den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers 45 zugeführt dessen Ausgangssignal einem integrator 47 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des Integrators 47 steuert die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 43.
Die Ausgänge der UND-Glieder 34 und 39 sind über ein ODER-Glied 28 mit dem Eingang des Zählers 29 verbunden, dessen Gesamtausgang mit einer Verriegelungsschaltung 49 und dessen 10. Bit mit dem invertierenden Eingang des UND-Gliedes 33 verbunden ist Das 10. Bit hat den Wert 1, wenn der Zählerstand 512
2(i und größer ist
Die Verriegelungsschaltung 49 wird durch das Ausgangssignal des UND-Gliedes 31 betätigt Das Ausgangssignal der Verriegelungsschaltung 49 wird einer Anzeige 53 zugeführt.
2r> Die Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird im folgenden unter gleichzeitiger Bezugnahme auf Fig.? erläutert
Der Zeitgeber 27 ist so aufgebaut, daß er periodisch die Signale 51, 52 und 53 gemäß Fig.2 abgibt. Ein
ν.) Meßzyklus beginnt mit der Eichung der Meßeinrichtung. Dazu wird zunächst während der Zeitspanne von ίο bis fi das Signal 51 abgegeben. Dadurch werden die Schalter 11 und 23 geschlossen, und der Zj hler 29 wird auf Null gestellt. Der Kondensator des KC-Gliedes 21
r, wird dann auf die Spannung ArIVo aufgeladen, wobei k der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 17 ist. Die Zeitspanne von to bis it ist so bemessen, daß der Kondensator des ÄC-Gliedes 21 mit Sicherheit auf kUo aufgeladen wird.
Das Signal 51 geht dann auf Null, während gleichzeitig 53 auf seinen Einheitspegel geht. Dadurch werden die Schalter 11 und 23 wieder geöffnet, und der Schalter 15 wird geschlossen. Gleichzeitig wird von der monostabilen Kippstufe 37 ein Ausgangsimpuls erzeugt,
Γι der das Flipflop 25 setzt. Der Kondensator des /?C-Gliedes 21 enthält sich dann entsprechend der /?C-Zeitkonstante, wodurch die Spannung Urc wie in F i g. 2 dargestellt, exponentiell abfällt Die Spannung Urc wird dem einen Eingang des Komparators 19
r.(i zugeführt, während dessen anderem Eingang die Spannung JtLA 1.2 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Komparators 19 bleibt so lange Null, wie die Spannung Urc größer als ArtAu ist Zum Zeitpunkt /51.2 sind die beiden Eingangssignale des Komparators 19
τ; gleich, und dieser gibt ein Signal an das Flipflop 25 ab, wodurch dieses gelöscht wird. Die Zeitdauer Δ t^ des Ausgangssignals St des Flipflops 25 entspricht der Eichtemperatur von 51,2°C. Diese Eichzeitaauer wird für einen Regelvorgang nutzbar gemacht, der weiter
hu unten beschrieben wird.
Zum Zeitpunkt Ϊ2 geht das Signal 53 wieder auf Null, und das Signal 51 wird wieder bis zum Zeitpunkt h abgegeben. Von h bis ti sind die Schalter 11 und 23 wieHer geschlossen, während der Schalter 15 wieder
1.1 geöffnet ist. Der Zähler 29 wird wieder auf Null gestellt, und die Spannung L/Begeht wieder auf kUo.
Zum Zeitpunkt (3 beginnt das eigentliche Meßintervall Δ tT- Das Signal 51 geht auf 0, und das Signal 52
wird abgegeben. Die Schalter 11 und 23 werden dadurch wieder geöffnet, während gleichzeitig der Schalter 13 geschlossen wird. Dadurch wird dem einen Eingang des Komparators 19 die der zu messenden Temperatur entsprechende Spannung kUr zugeführt, während dem r> anderen Hingang des Komparators wieder die exponentiell abfallende Spannung Urc zugeführt wird. Die beiden Eingangsspannungen sind im Zeitpunkt frgleich. Dadurch wird das Flipflop 25 wieder gelöscht. Da die Spannung Urc exponentiell abfällt und die Spannung Ut h> mit steigender Temperatur des Thermistors /?r ebenfalls exponentiell abnimmt, ist das Intervall Δ tr der zu messenden Temperatur direkt proportional. Nimmt man an, daß die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 43 so eingestellt ist, daß dieser während des π iniervalis Δ tS\2 512 impulse abgibt, so entspricht die Anzahl der im Intervall Δ /rabgegebenen Impulse der gemessenen Temperatur in Zehntel Graden. Das UND-Glied 39 läßt diese Anzahl von Impulsen zum Zähler 29 durch, da die Öffnungszeit des UND-Gliedes 39 vom Signal Sr bestimmt wird. Der zum Zeitpunkt tr im Zähler 29 enthaltene Wert wird über die Verriegelungsschaltung 49 in die Anzeige 53 gegeben, da die Verriegelungsschaltung 49 vom UND-Glied 31 zum Zeitpunkt tr ein Steuersignal erhält. Der von der Anzeige 53 wiedergegebene Meßwert bleibt bis zum nächsten Meßintervall erhalten. Zum Zeitpunkt i0' ist der erste Meßzyklus abgeschlossen und ein neuer, gleichartiger Meßzyklus beginnt.
Die Frequenzregelung des Oszillators 43 arbeitet so folgendermaßen:
Während der gesamten Anwesentheitsdauer des Signals S3 werden dem Zähler 29 über das UND-Glied 34 Impulse vom Oszillator 43 zugeführt. Das UND-Glied 33 gibt an den positiven Eingang des Differenz- r> Verstärkers 45 solange ein Signal ab, bis der Zähler 29 den Wert 512 erreicht hat. An seinem negativen Eingang erhält der Differenzverstärker 45 das Signal Sr, welche Δ t=,\3 lang ist. Beide Eingangssignale gehen gleichzeitig auf Null, wenn die Frequenz des Oszillators 43 ihren Sollwert, d.h. bei Hm der Zählerwort 512 erreicht ist. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 45 ist in diesen Fällen Null, sowohl während der Anwesenheit beider Eingangssignale, als auch wenn beide Eingangssignale Null sind. Läuft der Oszillator 43 zu schnell oder zu langsam, gehen die beiden Eingangssignale des Differenzverstärkers 45 zu verschiedenen Zeitpunkten auf Null, und dieser gibt einen negativen bzw. positiven Ausgangsimpuls ab, dessen Breite der Abweichung von der Sollfrcquenz des Oszillators 43 entspricht. Der Integrator 47 integriert die negativen bzw. positiven Ausgangsimpulse des Differenzverstärkers 45 über aufeinanderfolgende Meßperioden auf und gibt an seinem Ausgang die Regelspannung für den Oszillator 43 ab.
Anstelle der Oszillatorfrequenz könnte auch die Zeitkonstante des /?C-Gliedes 21 geregelt werden.
Die Frequenzen des Zeilgebers 27 und des Oszillators 43 brauchen nicht aufeinander abgestimmt zu sein. Es ist lediglich erforderlich, daß zwischen zwei Signalimpulsen Sl der Oszillator 43 eine für den Meßbereich genügende Anzahl von Zählimpulsen abgeben kann. Die Wiederholfrequenz des Signals S1 kann zum Beispiel 20 Hz betragen, während die Frequenz des Oszillators 43 beispielsweise 20 kHz betragen kann.
In dem in Fig.2 dargestellten Beispiel ist die Temperatur Tkleiner als 51,2°C. Es lassen sich jedoch auch Temperaturen messen, die höher als 51,2°C sind, solange der Zeitpunkt Ib, nicht überschritten wird.
Durch entsprechende Wahl der Widerstände R lassen sich Korrekturfaktoren in die Messung einführen, mit denen Abweichungen von der reinen exponentiellen Form der NTC-Thermistor-Kennlinie ausgeglichen werden können.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Linearisieren der Ausgangsgröße eines elektronischen Bauelementes mit exponentieller Kennlinie, insbesondere eines Heißleiters mit exponentieller Temperatur/Widerstands- Kennlinie, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des Bauelementes mit einer sich zeitlich im gleichen Sinne wie die Kennlinie exponentiell ändernden Ausgangsgröße einer Referenzschaltung verglichen wird und die Zeitdauer von einem festen, in die exponentielle Änderung Fallenden Anfangszeitpunkt bis zu dem Zeitpunkt gemessen wird, bei dem die beiden Ausgangsgrößen gleich sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung auf digitalem Wege durch Zählung der Impulse eines Referenzpulses erfolgt
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Ausgangsgröße der Referenzschaltung und die Pulsfrequenz so aufeinander abgestimmt sind, daß entsprechend einem vorgegebenen Maßstab einer Einheit der Ausgangsgröße des Bauelementes eine bestimmte Anzahl von Impulsen entspricht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Messung eine Eichung vorgenommen wird, bei der anstelle der Ausgangsgröße des Bauelementes eine feste Eichgröße mit der Ausgangsgröße der Referenzschaltung verglichen wird, und die Pulsfrequenz und/oder die Zeitkonstante der Ausgangsgröße der Referenzschaltung so eingestellt werden, daß die gemessene Zeitdauer gemäß dem gewählten Maßstab der Eichgröße entspricht.
5. Vorrichtung zum Linearisieren der Ausgangsgröße eines elektronischen Bauelementes mit exponentieller Kennlinie, insbesondere eines Heißleiters mit exponentieller Temperatur/Widerstands-Kennlinie, gekennzeichnet durch eine Referenzschaltung (21), die eine sich zeitlich im gleichen Sinne wie die Kennlinie exponentiell ändernde Ausgangsgröße (Uri) abgibt; eine Vergleichsschaltung (19), die die beiden Ausgangsgrößen miteinander vergleicht und bei Gleichheit ein Ausgangssignal abgibt; sowie eine Zeitmeßschaltung (25,29,43), der das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung zugeführt wird und die die Zeitdauer von einem festen in die zeitlich exponentielle Änderung fallenden Anfangszeitpunkt bis zum Empfang des Ausgangssignals mißt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Generator (43) zur Erzeugung eines Referenzpulses und einen Impulszähler (29), wobei die Zeitmessung auf digitalem Wege durch Zählung der Impulse des Referenzpulses erfolgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Ausgangsgröße (Urc) der Referenzschaltung (21) und die Pulsfrequenz so aufeinander abgestimmt sind, daß entsprechend einem vorgegebenen Maßstab einer Einheit der Ausgangsgröße LV des Bauelementes (Ri) eine bestimmte Anzahl von Impulsen entspricht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eichvorrichtung (7?5i,2) vorgesehen ist, deren Ausgangsgröße (Um) gleich der Ausgangsgröße (Ui) des Bauelementes (Rt) bei einer bestimmten Eingangsgröße des Bauelementes ist und die anstelle des Bauelementes an die Vergleichsschaltung (19) anschließbar ist, wobei die Pulsfrequenz und/oder die Zeitkonstante der Ausgangsgröße (Urc) der Referenzschaltung
s (2!) so einstellbar sind, daß die gemessene Zeitdauer gemäß dem gewählten Maßstab der Eichgröße entspricht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltvorrichtung (11,13, 15, 27)
ίο vorgesehen ist, die zur abwechselnden Messung und Eichung entsprechend einer vorgegebenen Zeitfolge die Eichvorrichtung (Rsu) und das Bauelement (Rj) abwechselnd mit der Vergleichsschaltung (19) verbindet.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (45, 47, 51) vorgesehen ist, die die Pulsfrequenz und/oder die Zeitkonstante der Ausgangsgröße (Urc) der Referenzschaltung (21) entsprechend der Ausgangsgröße (Usu) der Eichvorrichtung (Rsu) selbsttätig nachstellt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (Rt) ein NTC-Thermistor ist und seine Ausgangsgröße (Ut) die an ihm abfallende Spannung ist
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichvorrichtung Festwiderstände (Ro, /?5u) aufweist, deren Werte denen des NTC-Thermistors (Ri) bei vorgegebenen Eichtem-
i<> peraturen entsprechen.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der NTC-Thermistor (Rt) und die Festwiderstände (Ro, Λ51.2) an Stromquellen angeschlossen sind, deren Innenwider-
ir) stände (R) so bemessen sind, daß Abweichungen der NTC-Thermistor-Kennlinie von der Exponentialkurvenform kompensiert werden.
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DE2648597B2 DE2648597B2 (de) 1978-09-28
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