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Schaltungsanordnung zum Messen von Widerständen oder
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Leitwerten Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zum Messen von Widerständen oder Leitwerten mit einer Stromquelle, an die der zu
messende Widerstand anschließbar ist, und mit einem Analog-Digital-Umsetzer, der
die am zu messenden Widerstand abfallende Spannung in einen Digitalwert umsetzt.
An die Stromquelle ist ferner ein Referenzwiderstand angeschlossen und der Analog-Digital-Umsetzer
ist ein das Verhältnis von der zu messenden Spannung zu einer Referenzspannung bildender
Umsetzer, dem die am zu messenden Widerstand abfallende Spannung als unbekannte
Spannung und die am Referenzwiderstand abfallende Spannung als Referenzspannung
zugeführt ist.
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Eine derartige Meßanordnung ist aus "ATM B1. J 0770-F5 (April 1975)"
bekannt. Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit von der
Stärke des Stromes durch den zu messenden Widerstand abhängt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zum Messen von Widerständen oder Leitwerten zu schaffen, die bei hoher Meßgenauigkeit
einen geringen Aufwand erfordert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an die Stromquelle
ein Referenzwiderstand angeschlossen ist und daß der Analog-Digital-Umsetzer ein
das Verhältnis von der zu messenden Spannung zu einer Referenzspannung bildender
Umsetzer ist, dem die am zu messenden Widerstand abfallende Spannung als zu messende
Spannung und die an einem Referenzwiderstand abfallende Spannung als Referenzspannung
zugeführt ist.
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Da der Strom durch den zu messenden Widerstand und den Referenzwiderstand
von derselben Stromquelle geliefert sind und der Analog-Digital-Umsetzer das Verhältnis
der Spannungen an dem zu messenden Widerstand und am Referenzwiderstand bildet,
hat bei der neuen Meßanordnung die Stromstärke in einem weiten Bereich praktisch
keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Es kann daher eine sehr einfache Stromquelle
verwendet werden. Voraussetzung ist lediglich, daß sie einen Strom liefert, der
einen zur Ansteuerung des Analog-Digital-Umsetzers ausreichenden Spannungsabfall
an den Widerständen bewirkt. Auch Störspannungen haben im allgemeinen keinen Einfluß
auf das Meßergebnis, da sie die am Referenzwiderstand und am zu messenden Widerstand
abfallenden Spannungen in gleicher Weise beeinflussen. Vorteilhaft ist die Anordnung
so getroffen, daß der zu messende und der Referenzwiderstand vom selben Strom durchflossen
sind, z. B. indem die verglichenen Widerstände in Reihe geschaltet sind.
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Der Referenzwiderstand ist im allgemeinen einer von mehreren Widerständen
eines Netzwerkes, die Je nach gewünschtem Meßbereich wahlweise in den Stromweg geschaltet
werden können.
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Von den Analog-Digital-Umsetzern, die das Verhältnis von zu messender
Spannung und Referenzspannung bilden, ist der sogenannte Dual-Slope-Umsetzer, der
nach dem Zweifach-Integrationsverfahren arbeitet, zum Einsatz in der neuen Meßanordnung
besonders geeignet. Sind der zu messende und der Referenzwiderstand in Reihe geschaltet,
so kann die Schwierigkeit auftreten, daß die beiden Widerstände auf unterschiedlichem
Potential liegen. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden, daß mit der
Spannung an einem Widerstand, vorzugsweise an dem, von dem kein Anschluß auf Nullpotential
liegt, ein Kondensator geladen und dieser während einer der beiden Integrationsphasen
an den Analog-Digital-Umsetzer geschaltet wird. Dieselbe Wirkung kann mit einem
Differenzverstärker erreicht werden, an dessen Eingängen während der einen Integrationsphase
der zu messende Widerstand und während der anderen Phase der Referenzwiderstand
liegt und an dessen Ausgang der-Analog-Digital-Umsetzer angeschlossen ist.
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Je nachdem, ob in der ersten Integrationsphase die Spannung am zu
messenden Widerstand oder am Referenzwiderstand integriert wird und in der zweiten
Phase der Integrator mit der Spannung am Referenzwiderstand bzw. am zu messenden
Widerstand entladen wird, wird als Meßwert der Widerstand oder der Leitwert erhalten.
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Die neue Meßanordnung eignet sich auch für Vielfachinstrumente, wozu
die Referenzwiderstände ein Netzwerk bilden, das auch für andere Funktionen verwendet
ist, z. B. für die Gleichspannungsmessung als Spannungsteiler und für die Wechselspannungsmessung
als Gegenkopplungswiderstände eines Bereichsverstärkers.
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Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind,
werden im folgenden die Erfindung sowie
weitere Vorteile und Ergänzungen
näher beschrieben und erläutert.
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Figur 1 veranschaulicht anhand eines einfachen Ausführungsbeispiels
die Erfindung.
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Figur 2 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels, bei dem nur
der zu messende Widerstand an Nullpotential liegt.
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In Figur 3 ist das Schaltbild des Eingangsteils eines Vielfachinstrumentes
dargestellt, in dem die Erfindung verwendet ist.
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In Figur 1 ist mit ADU ein Analog-Digital-Umsetzer bezeichnet, der
nach dem Zweifach-Integrationsverfahren arbeitet und hierzu einen Umschalter US
und einen Integrator INT enthält. Derartige Analog-Digital-Umsetzer sind bekannt,
so daß auf die Darstellung und Beschreibung weiterer Bauelemente, wie Komparator,
Steuereinheit, Zähler und Anzeigeeinheit, verzichtet werd,en kann. Aus einer Spannungsquelle
UB fließt ein Strom über einen Referenzwiderstand Rf und einen an die Eingangsklemmen
E zu messenden Widerstand Rx. In einer ersten Arbeitsphase des Analog-Digital-Umsetzers
ADU befindet sich der Umschalter US in der gezeichneten Stellung. Die am Widerstand
Rx abfallende Spannung gelangt daher auf den Eingang des Integrators, der diese
Spannung während einer vorgegebenen Zeit, die zweckmäßig ein ganzzahliges Vielfaches
einer möglichen Störfrequenz, z. B. der Netzfrequenz, ist, aufintegriert. Für die
zweite Arbeitsphase wird der Umschalter US umgeschaltet, so daß die Spannung am
Referenzwiderstand Rf auf den Integrator gelangt und diesen entlädt. Auf- und Entladezeit
des Integrators INT werden mittels eines Zählers und eines Taktgebers gemessen.
Ihr Verhältnis ist gleich dem Verhältnis des Wertes des Widerstandes Rx zu dem des
Widerstandes Rf.
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Die Meßgenauigkeit hängt daher praktisch nur von der Genauigkeit
des
Referenzwiderstandes Rf ab. Der Strom durch die Widerstände und die Frequenz der
Taktimpulse brauchen nur während einer Meßperiode konstant zu sein, was mit ausreichender
Genauigkeit leicht zu erreichen ist.
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In der Anordnung nach Figur 2 ist mit ADU wieder der Analog-Digital-Umsetzer
und mit INT der Integrator bezeichnet. Der Umschalter US der Anordnung nach Figur
1 ist durch Umschalter US1, US2 und Schalter S1, S2 ersetzt.
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Der Referenzwiderstand besteht aus einem Widerstand R1 und einem von
mehreren Widerständen R3, R4 ... R7, der mittels eines Bereichsschalters BS dem
Widerstand R1 parallelgeschaltet ist. Der Strom durch diesen Referenzwiderstand
und den zwischen die Eingangsklemmen E geschalteten, zu messenden Widerstand Rx
wird über einen Kaltleiter PTC von einem Verstärker V1 geliefert, dem über einen
nicht bezeichneten Widerstand die Versorgungsspannung UB zugeführt ist. Der Kaltleiter
PTC und Zenerdioden ZD1, ZD2, ZD3 dienen dem Schutz der Widerstände R1, R3, R4 ...
R7 sowie etwaigen diesen parallelgeschalteten, für andere Zwecke verwendeten Bauelementen,
wie Kondensatoren. Zur Leitwertmessung ist der Umschalter US in der ersten Arbeitsphase
des Analog-Digital-Umsetzers ADU in der oberen Stellung und in der zweiten Arbeitsphase
in der unteren. Statt dessen kann dem Analog-Digital-Umsetzer ein Umschalter vorgeschaltet
sein, der, Je nachdem, ob der Widerstand oder der Leitwert gemessen werden soll,
die Leitungen zum Analog-Digital-Umsetzer vertauscht.
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Im Gegensatz zur Anordnung nach Figur 1 liegt in der Anordnung nach
Figur 2 der zu messende Widerstand Rx einseitig an Masse, während der Referenzwiderstand
auf höherem Potential ist. Um die am Referenzwiderstand abfallende Spannung dem
Integrator INT zuzuführen, sind daher
besondere Maßnahmen erforderlich.
Diese bestehen in den schon erwähnten Schaltern S1, S2; US1, US2 und einem Kondensator
C0. Vor Beginn einer Messung werden die Schalter S1, S2 geschlossen und damit der
Kondensator C0 auf die am Referenzwiderstand abfallende Spannung aufgeladen.
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Für die erste Arbeitsphase des Analog-Digital-Umsetzers sind die Umschalter
US1, US2 in die gezeichnete Stellung gebracht, so daß die am unbekannten Widerstand
Rx abfallende Spannung während einer vorgegebenen Zeit aufintegriert werden kann.
Vor Beginn der zweiten Arbeitsphase müssen die Schalter S1, S2 geöffnet werden,
und die Umschalter US1, US2 werden in die zweite Stellung gebracht. Der Integrator
kann somit mit der im Kondensator C0 gespeicherten Ladung entladen werden. Dieser
Kondensator ist so bemessen, daß an ihm während einer Meßperiode kein nennenswerter
Spannungsabfall auftritt. Die Eingangsspannungen des Analog-Digital-Umsetzers ADU
sind über Schutzwiderstände R14, R15, R16 geführt.
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Figur 3 verdeutlicht die Verwendung der Anordnung nach Figur 2 in
einem Vielfach-Meßinstrument, mit dem Gleichspannungen, Wechselspannungen und Widerstände
gemessen werden können. Die einander entsprechenden Bauelemente der Anordnungen
nach Figur 2 und Figur 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. In der oberen
Hälfte der Figur 3 findet sich der Bereichsschalter BS mit den Referenzwiderständen
R1, R3, R4 ... R7, an der rechten Seite sind die zum Analog-Digital-Umsetzer führenden
Leitungen mit den Schutzwiderständen R14, R15, R16 gezeichnet. In der Mitte sind
die Ebenen FS1, FS2, FS3 FS8 eines Funktionsschalters dargestellt. Bei Gleichspannungsmessung
sind die oberen Kontakte der Funktionsschalterebenen paarweise verbunden, bei Wechselspannungsmessung
die mittleren Kontakte und bei Widerstandsmessung die unteren. Bei Gleichspannungsmessung
gelangt das Eingangssignal über das obere Kontaktpaar der Funktions-
schalterebene
FS1 auf die Verbindungsleitung zwischen den Widerständen R1, R2. Befindet sich der
Bereichsschalter BS in der obersten Stellung, das ist der empfindlichste Meßbereich,
so wird das Eingangssignal über den Widerstand R2, den Bereichsschalter BS, die
oberen Kontaktpaare der Funktionsschalterebenen FS2 und FS8 und über den Schutzwiderstand
R16 als erstes Eingangspotential UE1 dem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt. Das
zweite Eingangspotential UE2 erhält der Analog-Digital-Umsetzer über das obere Kontaktpaar
der Funktionsschalterebene FS7; es ist Nullpotential. Wird der Bereichsschalter
von der obersten Stellung in eine der unteren Stellungen gebracht, so wird einer
der Widerstände R3, R4 ... R7 über das obere Kontaktpaar der Funktionsschalterebene
FS3 an Nullpotentital gelegt; dieser Widerstand bildet daher zusammen mit dem Widerstand
R1 für das Eingangssignal einen Spannungsteiler; das an dessen Abgriff auftretende
Signal wird als erstes Eingangssignal UE1 dem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt.
Das erste Referenzpotential UR1 erhält der Analog-Digital-Umsetzer über den Schutzwiderstand
R15 und das obere Kontaktpaar der Funktions-.
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schalterebene FS4 von einer Referenzspannungsquelle US1.
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Das zweite Referenzpotential UR2 ist bei Gleichspannungsmessung Nullpotential,
das über das obere Kontaktpaar der Funktionsschalterebene FS6 erhalten wird.
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Bei Wechselspannungsmessung bildet der Widerstand R1 zusammen mit
einem der Widerstände R3, R4 ... R7 ein Gegenkopplungsnetzwerk. Zur Frequenzgangkompensation
sind den Widerständen R3, R4 ... R7 Kondensatoren C2, C3 ... C6 parallelgeschaltet.
Das Eingangssignal wird über einen Kondensator C1 und den Widerstand R1 sowie das
mittlere Kontaktpaar der Funktionsschalterebene FS2 auf den invertierenden Eingang
eines Verstärkers V2 geführt. Der nicht invertierende Eingang liegt an einem Spannungsteiler,
bestehend aus Widerständen R8, R9. Zwischen dem invertie-
renden
Eingang und dem Ausgang liegt außer einem hochohmigen Widerstand R10 über die mittleren
Kontaktpaare der Funktionsschalterebenen FS2 und FS3 der mit dem Bereichsschalter
BS Jeweils ausgewählte der Widerstände R3, R4 ... R7, der dem Jeweils ausgewählten
Widerstand parallelliegende Kondensator C2, C3 ... C5 sowie stets der Kondensator
C6.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers V2 wird über einen Kondensator
C7 dem nicht invertierenden Eingang eines als Gleichrichter arbeitenden Verstärkers
V3 zugeführt, der mit Widerständen R11, R12 gegengekoppelt ist. Da sein nicht invertierender
Eingang gleichstrommäßig über einen Widerstand R17 an Nullpotential liegt und seine
negative Versorgungsspannung ebenfalls Nullpotential ist, kann er nur die positiven
Halbwellen des Eingangssignals verstärken, die negativen werden unterdrückt.
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Die positiven Halbwellen am Ausgang des Verstärkers V3 werden von
einem Kondensator C8 geglättet und über das mittlere Kontaktpaar der Funktionsschalterebene
FS8 und den Schutzwiderstand R16 als erstes Eingangspotential UE1 dem Analog-Digital-Umsetzer
zugeführt. Die die Referenzspannung bildenden Referenzpotentiale UR1, UR2 werden
in gleicher Weise wie bei der Gleichspannungsmessung gebildet und sind wieder die
Potentiale US1 und Nullpotential. Der Gleichspannungsarbeitspunkt des Verstärkers
und seine Gleichspannungsdrift werden dadurch kompensiert, daß der Eingang des Analog-Digital-Umsetzers
als Differenzverstärker genutzt wird, indem die am invertierenden Eingang liegende
Spannung einerseits über ein Siebglied R13, C9 und das mittlere Kontaktpaar der
Funktionsschalterebene FS7 als zweites Eingangspotential UE2 und andererseits über
das mittlere Kontaktpaar der Schalterebene FS5 als Potential Ug dem Analog-Digital-Umsetzer
zugeführt sind. Die im Analog-Digital-Umsetzer vorge-
nommene Differenzbildung
(UE1 - Ug) - (UE2 - Ug) macht den Einfluß der Gleichspannungsdrift unwirksam.
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Die Widerstandsmessung wurde schon anhand der Figur 2 beschrieben
und braucht daher nur kurz erläutert zu werden. Eine Spannung US2 gelangt über das
untere Kontaktpaar der Funktionsschalterebene FS5 auf die Verbindungsleitung zwischen
dem Widerstand R1 und den Widerständen R3, R4 ... R7. Ist der Bereichsschalter BS
in der obersten Stellung, sind die Widerstände R3, R4 ... R7 stromlos, während die
Widerstände R1 und der zu messende Widerstand Rx, die über das untere Kontaktpaar
der Funktionsschalterebene FS1 in Reihe geschaltet sind, Strom führen. Die Potentiale
zwischen diesen beiden Widerständen bilden das erste Eingangspotential UE1 und das
zweite Referenzpotential UR2. Das zweite Eingangspotential UE2 ist Null und das
dem Widerstand R1 zugeführte Potential US2 ist das erste Referenzpotential UR1.
Wird der Bereichsschalter BS nach unten verschoben, ist einer der Widerstände R3,
R4 ...R7 über die unteren Kontaktpaare der Funktionsschalterebenen FS2, FS3 dem
Widerstand R1 parallelgeschaltet.
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Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß die schon in der Beschreibung der
Figur 2 erwähnten Dioden ZD2, ZD3 die Kondensatoren C2, C3 ... C5 im Falle des versehentlichen
Anlegens einer Wechselspannung schützen.
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Zusammenfassung
Schaltungsanordnung zum Messen von Widerständen oder
Leitwerten Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Messen von
Widerständen oder Leitwerten.
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Der zu messende Widerstand (Rx) und ein Referenzwiderstand (Rf) sind
in Reihe an eine Strom- oder Spannungsquelle (UB) geschaltet. An die beiden Widerstände
ist ein nach dem Zweifach-Integrationsverfahren arbeitender Analog-Digital-Umsetzer
(ADU) angeschlossen, derart, daß ihm die am zu messenden Widerstand (Rx) abfallende
Spannung als unbekannte Spannung und die am Referenzwiderstand abfallende Spannung
als Referenzspannung zugeführt ist.
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Die Erfindung wird hauptsächlich bei digitalen Vielfach-Instrumenten
angewandt. (Figur 1)
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