DE2706431C2

DE2706431C2 -

Info

Publication number: DE2706431C2
Application number: DE19772706431
Authority: DE
Inventors: Guenter Von Zur Ing.(Grad.) 4020 Mettmann De Gathen; Rainer Dipl.-Ing. 5628 Heiligenhaus De Hillebrand
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1977-02-16
Filing date: 1977-02-16
Publication date: 1989-12-14
Also published as: DE2706431A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung der Kennlinie eines Meßwertgebers nach der Gattung des Anspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der H 42 TE 29-1Z1 bekannt. Die prinzipielle Wirkungsweise der dort beschriebenen Schaltungsanordnung beruht darauf, die Verstärkung eines dem Meßwertgeber nachgeschalteten Differenzverstärkers in Abhängigkeit der Geberkennlinie zu beeinflussen. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal des Meßwertgebers einerseits unverändert dem ersten Eingang des Differenzverstärkers zugeführt. Der Meßwertgeber ist andererseits über einen weiteren Verstärker und ein Dioden-Widerstands- Netzwerk mit dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers verbunden.

In der DE-Zeitschrift "Technisches Messen atm 1976, Heft 11, S. 349-356, sind Methoden zur Linearisierung nichtlinearer Meßumformer, demonstriert am Beispiel von Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, beschrieben. Die Linearisierung erfolgt durch die Reihenschaltung des Meßumformers mit einem weiteren nichtlinearen Übertragungsglied, dessen Kennlinie proportional zur Umkehrfunktion der Kennlinie des Meßumformers sein muß. Zur Bildung der Umkehrfunktion wird unter anderem die Schaltung eines Diodenfunktionsgenerators vorgeschlagen, bei dem ein Dioden-Widerstands-Netzwerk verwendet wird, welches einen kontinuierlich verlaufenden Kurvenzug durch Geradenstücke (Polygon) annähert.

Mit Hilfe des Dioden-Widerstands-Netzwerkes wird ein Signal mit einem zur Geberkennlinie spiegelbildlichen Verlauf erzeugt. Geht man beispielsweise von einer progressiven Charakteristik der Geberkennlinie aus, dann wird die Verstärkung des Differenzverstärkers mit zunehmender Meßgröße laufend vermindert. Durch eine geeignete Auslegung des Dioden-Widerstands-Netzwerkes wird erreicht, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers linear mit der Meßgröße (Temperatur, Druck, Weg usw.) steigt. Auf diese Weise sind zur Anzeige der Meßgröße Instrumente mit linearer Skaleneinteilung einsetzbar, durch die sich die Ableseeigenschaften verbessern.

In der DE-OS 23 17 023 ist eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung der Kennlinie eines Meßgebers als bekannt vorausgesetzt, bei der der Geber an einem beschalteten Operationsverstärker mit sehr kleinem Eingangswiderstand angeschlossen ist. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers liegt an einem weiteren Verstärker, in dessen Gegenkopplungszweig ein entsprechend der Nichtlinearität des Meßgebers nichtlineares Glied liegt. Durch die Verwendung von Dioden- Widerstands-Netzwerken in der Rückführschleife des weiteren Verstärkers läßt sich die Genauigkeit der Linearisierung der Geberkennlinie erhöhen.

Bei den beschriebenen Schaltungsanordnungen ist allerdings eine Meßbereichsänderung nicht ohne weiteres erreichbar. Soll ein anderer Bereich der Geberkennlinie erfaßt werden, so muß das Dioden-Widerstands- Netzwerk durch ein anderes ersetzt werden.

In der DE-OS 25 16 559 ist eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung der Kennlinie eines Meßwertgebers mit einem ersten und mehreren zusätzlichen Verstärkern mit einzeln einstellbaren Verstärkungsfaktoren beschrieben. Die zusätzlichen Verstärker sind mit ihren Eingängen an die Eingangsklemme über je einen Schwellwertkreis angeschlossen. Die Ausgangssignale aller aktiven Verstärker sind zu einem Ausgangssignal in einer Signalkombinierschaltung zusammengefaßt. Jeder Schwellwertkreis legt den Anfangspunkt eines geradlinigen Abschnittes der Kennlinie fest, und jeder Verstärkungsfaktor bestimmt die Steigung eines Abschnittes.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der einfachere Möglichkeiten zur Meßbereichsumschaltung anwendbar sind.

Die Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel ist im folgenden anhand von Fig. 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild und

Fig. 2 die Kennlinie eines Meßwertgebers.

Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 sind mit R₁ . . . R _n Widerstände D₁ . . . D _n Dioden und mit V₁, V₂ Differenzverstärker bezeichnet. Die Schaltungsanordnung enthält ferner ein Thermoelement Th, eine einstellbare Stromquelle Q, einen einstellbaren Widerstand P und ein Meßwerk M. Zur Stromversorgung dient eine Versorgungsspannung U _B. Der Ausgangsstrom der einstellbaren Stromquelle Q trägt die Bezeichnung I _K, während der der Meßgröße ϑ porportionale Meßstrom mit I _M bezeichnet ist.

Die genannten Bauelemente sind wie folgt zusammengeschaltet:
Das Thermoelement Th liegt mit einem Anschluß an einem Bezugspotential OV und steht ferner mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₁ in Verbindung, dessen invertierender Eingang an einem an die Versorgungsspannung U _B angeschlossenen Spannungsteiler R₁, R₂ liegt. Der Ausgang des Differenzverstärkers V₁ speist über das Meßwerk M den einstellbaren Widerstand P.

Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers V₂ liegt über den Spannungsteiler R₄, R₆ an der Versorgungsspannung U _B, während sein nichtinvertierender Eingang über einen aus den Widerständen R₅, R₇ und dem einstellbaren Widerstand P zusammengeschalteten Spannungsteiler an die Versorgungsspannung U _B gelegt ist. Des weiteren ist die Stromquelle Q am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₂ angeschlossen.

Die Ausgangsspannung U _A des Differenzverstärkers V₂ ist über den Widerstand R₈ auf seinen invertierenden Eingang zurückgeführt. Parallel zum Widerstand R₈ liegt die Reihenschaltung der Diode D₁ und des Widerstandes R₁₂, die alternativ am invertierenden oder am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₂ anschließbar ist. Über einen am Ausgang des Differenzverstärkers V₂ angeschlossenen Spannungsteiler R₉, R₁₀, R₁₁ ist die Diode D₂ und der ihr in Reihe geschaltete Widerstand R₁₃ angeschlossen; auch hier sind alternative Anschlußmöglichkeiten bezüglich der Eingänge des Differenzverstärkers V₂ gegeben. Über den am Ausgang des zweiten Differenzverstärkers V₂ angeschlossenen Spannungsteiler R₉, R₁₀, R₁₁ sind zwischen den Spannungsteilerabgriffen und einem der beiden Eingänge des zweiten Differenzverstärkers V₂ entsprechend der nachzubildenden Kennlinie weitere Dioden-Widerstands- Netzwerke D _n, R _n einschaltbar.

Der Widerstand R₃ stellt eine Verbindung zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers V₂ und dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₁ her. Von der Versorgungsspannung U _B werden gleichzeitig auch die Betriebsströme der Differenzverstärker V₁, V₂ bereitgestellt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß die Schaltungsanordnung infolge einer Meßgröße ϑ₁ einen bestimmten Meßstrom I _{M 1} liefert und daß ein Thermoelement Th mit einer progressiven Kennlinie eingesetzt ist. Bei einer Temperaturerhöhung steigt dann die Thermospannung U _Th überproportional an. Als Folge davon steigt der Meßstrom I _M durch das Meßwerk M und der Spannungsabfall am einstellbaren Widerstand P. Damit erhöht sich auch das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₂; die Ausgangsspannung U _A des Verstärkers steigt an.

Überschreitet die Ausgangsspannung U _A des Differenzverstärkers V₂ einen bestimmten Wert, so geht die Diode D₁ in den leitfähigen Zustand über. Sind die Widerstände R₁₂ . . . R _n am Spannungsteiler R₅, R₇ angeschlossen, so ist als Folge dieser Veränderung im Dioden-Widerstands-Netzwerk D₁ . . . D _n, R₁₂ . . . R _n ein weiterer Anstieg des Potentials am nichtinvertierenden Verstärkereingang zu beobachten. Die Erhöhung der Ausgangsspannung U _A wird über eine durch den Widerstand R₃ hergestellte Verbindung so am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₁ wirksam, daß eine Abnahme des Meßstromes I _M eintritt. Bei der weiteren Zunahme der Meßgröße ϑ und der Durchschaltung weiterer Dioden D₂ . . . D _n ist der Funktionsablauf entsprechend. Die Potentialerhöhung am nichtinvertierenden Verstärkereingang muß dabei stets so groß sein, daß der überproportionale Anteil der Thermospannung U _Th kompensiert wird.

Der Differenzverstärker V₁ ist durch den Differenzverstärker V₂ gegengekoppelt, wobei der Gegenkopplungsfaktor im wesentlichen von dem einstellbaren Widerstand P abhängt. Als Voraussetzung für die ordnungsgemäße Funktion der Schaltungsanordnung gilt, daß der Differenzverstärker V₂ eine Ausgangsspannung U _A liefert, die qualitativ dem Kennlinienverlauf des jeweils eingesetzten Meßwertgebers entspricht. Die Widerstände R₁₂ . . . R _n sind zu diesem Zweck bei einer progressiven Charakteristik (z. B. Eisen-Konstantan) am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₂ anzuschließen. Bei einer degressiven Kennlinie (z. B. Nickel-Chrom-Nickel) muß die Rückführung auf den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₂ vorgenommen werden. Theoretisch ist es auch ohne weiteres möglich, durch eine gleichzeitige Anwendung beider alternativer Anschlußmöglichkeiten eine Kennlinie mit Wendepunkten nachzubilden.

Der am Ausgang des Differenzverstärkers V₁ auftretende Meßstrom I _M ändert sich beispielsweise zwischen 0 und 20 mA, wenn die Meßgröße ϑ im Bereich zwischen ϑ₁ und ϑ₂ schwankt. Gemäß Fig. 2 liefert die Stromquelle Q in diesem Fall einen Ausgangsstrom I _K1; der Widerstand P ist auf einen Wert P₁ eingestellt.

Mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes P läßt sich der Gegenkopplungsfaktor der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung verändern. Und zwar tritt bei einer Zunahme des Widerstandes P eine Vergrößerung des Gegenkopplungsfaktors ein. Soll die Meßgröße ϑ beispielsweise im Bereich ϑ₃ . . . ϑ₄ erfaßt werden, so ist der Widerstand P infolge der größeren Steilheit dieses Bereiche auf den Wert P₂ (P₂ <P₁) einzustellen.

Der Bereich ϑ₃ . . . ϑ₄ verfügt gegenüber dem Bereich ϑ₁ . . . ϑ₂ nicht nur über eine größere mittlere Steigung, sondern auch über einen anderen Anfangspunkt (ϑ₁ ≠ ϑ₃). Durch eine Erhöhung des Ausgangsstromes I _K der Stromquelle Q auf den Wert I _K2 erfolgt eine Anpassung des Arbeitspunktes an den neuen Anfangspunkt. Der Meßstrom I _M ändert sich im Bereich ϑ₃ . . . ϑ₄ wiederum zwischen 0 und 20 mA.

In entsprechender Weise läßt sich der Bereich ϑ₁ . . . ϑ₄ erfassen, wenn der Ausgangsstrom I _K der Stromquelle Q und der Widerstand P auf I _K3 und P₃ eingestellt sind. Die Schwankung des Meßstromes I _M von 0 . . . 20 mA bleibt dabei erhalten.

Grundsätzlich ist durch die beschriebene Schaltungsanordnung jeder beliebige Bereich der Meßgröße ϑ erfaßbar, wobei der Änderungsbereich des Meßstromes I _M stets konstant bleibt. Als einzige Voraussetzung für eine ausreichende Anpassung an den jeweiligen Meßbereich gilt dabei, daß das Dioden-Widerstands- Netzwerk D₁ . . . D _n, R₁₂ . . . R _n die Geberkennlinie hinreichend genau nachbildet. Jedem Meßbereich ist dabei eine bestimmte Kombination aus Ausgangsstrom I _K und Widerstand P zugeordnet. Da bei der Stromquelle Q und dem Widerstand P Verstellmöglichkeiten vorgesehen sind, ist eine Umschaltung auf verschiedene Meßbereiche bei entsprechender Ausnutzung der Linearisierungscharakteristik sehr einfach durchführbar.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Linearisierung der Kennlinie eines Meßwertgebers mit einer Verstärkerschaltung mit meßwertabhängigem Verstärkungsfaktor, bestehend aus

a) einem ersten Differenzverstärker (V₁), an dessen nichtinvertierenden Eingang der Meßwertgeber (Th) angeschlossen ist,
b) einem zweiten Differenzverstärker (V₂), in dessen Rückführzweig ein Dioden-Widerstands-Netzwerk liegt und
c) bei der der erste Differenzverstärker (V₁) über den zweiten beschalteten Differenzverstärker (V₂) gegengekoppelt ist,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

d) der erste Differenzverstärker (V₁) liefert an seinem Ausgang einen vom Meßwertgeber (Th) abhängigen linearen Meßstrom (I _M), der einen einstellbaren Widerstand (P) speist, dessen Spannungsabfall dem nichtinvertierenden Eingang des gegenkoppelnden zweiten Differenzverstärkers (V₂) über einen Widerstand (R₇) zugeführt ist,
e) zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (V₂) ist ein Widerstand (R₈) geschaltet, dem ein Dioden-Widerstands-Netzwerk (D₁, R₁₂) parallelgeschaltet ist,
f) über einen am Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (V₂) angeschlossenen Spannungsteiler (R₉, R₁₀, R₁₁) sind zwischen den Spannungsteilerabgriffen und einem der beiden Eingänge des zweiten Differenzverstärkers (V₂) entsprechend der nachzubildenden Kennlinie weitere Dioden-Widerstands-Netzwerke (D₂, R₁₃; D _n, R _n) einschaltbar und
g) der nichtinvertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers (V₂) ist mit einer Stromquelle (Q) verbunden, bei der unterschiedliche Ausgangsströme (I _K) einstellbar sind.