DE2917237C2

DE2917237C2 -

Info

Publication number: DE2917237C2
Application number: DE2917237A
Authority: DE
Inventors: Francis Leland Payne; John Joseph Tucson Ariz. Us Molloy
Original assignee: Burr Brown Research Corp
Current assignee: Burr Brown Research Corp
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1990-08-09
Also published as: DE2917237A1; JPS54145560A; GB2020040B; JPS645360B2; FR2424541A1; GB2020040A; US4169243A; FR2424541B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schaltungsanordnungen dieser Art sind aus der Praxis bekannt und in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.

Die bekannten Schaltungsanordnungen zeichnen sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus, doch verfälscht bei ihnen der Leitungswiderstand der ersten und der zweiten Verbindungs-Fernleitung das Meßergebnis. Es sind keinerlei Vorkehrungen getroffen, um die Spannungsabfälle an den beiden Verbindungs-Fernleitungen, die vom gleichen Strom wie der Meßwiderstand durchflossen werden, zu kompensieren.

In Verbindung mit Schaltungsanordnungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 können mannigfaltige Meßwiderstände, die den Zustand einer physikalischen Größe in einen Widerstandswert umsetzen, z. B. Meßwiderstände in Form von Dehnungsmeßstreifen oder Temperatur-Meßwiderständen, eingesetzt werden, wobei es häufig erforderlich ist, diese in einer großen Entfernung von beispielsweise einigen hundert Metern von der Schaltungsanordnung anzuordnen, so daß die Verbindungs-Fernleitungen bei Verwendung von Drähten üblicher Stärke einen im Vergleich zu dem gewöhnlich zwischen 50 und 100 Ohm liegenden Widerstandswert des Meßwiderstandes erheblichen Widerstandswert aufweisen können.

Es ist bekannt, am Meßpunkt eine Brücke mit vier Elementen zu verwenden und die Brücke durch passive Widerstände zu vervollständigen, wenn bei einer bestimmten Anwendung vier Elemente nicht prinzipiell erforderlich sind. Diese Brücke wird über ein erstes Leitungspaar von einer Stromquelle her gespeist. Die Ausgangsspannung wird über ein zweites Leitungspaar zurückgeführt. Ein drittes Leitungspaar kann dazu verwendet werden, eine entfernte Spannungsabtastung oder Spannungsregelung durchzuführen. Stromquellen oder eine Spannungsabtastung sind bei dieser Technik erforderlich, weil Spannungsabfälle auftreten, welche durch die langen Leitungen hervorgerufen werden.

Häufig werden Meßwiderstände in Form von Temperaturfühlern eingesetzt, die unter Verwendung von Platin oder einer - Nickellegierung hergestellt sind. Ein Platindraht-Meßwiderstand hat üblicherweise einen Widerstandswert von nur 100 Ohm bei Zimmertemperatur, während aus einer Nickellegierung hergestellte Meßwiderstände einen Widerstandswert von 1000 Ohm haben können. Je kleiner der Widerstandswert eines Meßwiderstandes ist, um so stärker ist seine Messung durch die Leitungswiderstände der Verbindungs-Fernleitungen verfälschend beeinflußbar. Insofern sind unter Verwendung einer Nickellegierung hergestellte Meßwiderstände einfacher zu schalten, doch werden Platin-Meßwiderstände wegen ihrer Genauigkeit und ihrer Langzeit-Stabilität häufig bevorzugt.

Fühlerelemente, insbesondere Temperaturfühlerelemente, haben auch nicht immer zur Vervollständigung einer Brücke dienende passive Widerstände, wodurch die Instrumentierung bei einer automatischen Ablesung oder Registrierung besonders schwierig wird. Bei Verwendung eines Potentiometers und eines Galvanometers ist in bekannter Weise eine direkte visuelle Ablesung möglich. Eine solche bekannte Anordnung führt zwar zu einem linearen Ausgangssignal, bei welchem keine Fehler aufgrund von Spannungsabfällen entlang der Leitungen auftreten, doch ist diese Anordnung nicht für eine kontinuierliche automatische Registrierung von Meßwerten geeignet, welche in zunehmendem Maß bei der immer weiter verbreiteten Anwendung von Mikroprozessoren bei automatischen Regeleinrichtungen von Bedeutung wird.

Aus der US 38 17 104 ist eine Temperaturmeßanordnung bekannt, bei welcher ein Spannungs-Strom-Wandler sowie eine temperaturempfindliche Widerstandsbrücke verwendet werden. Auch bei dieser bekannten Anordnung haben die Leitungswiderstände, die nicht kompensiert werden, einen verfälschenden Einfluß auf das Meßergebnis. Außerdem weist diese bekannte Anordnung infolge der Verwendung der Widerstandsbrücke eine nicht-lineare Charakteristik auf.

Die US 40 00 454 und die US 40 60 715 befassen sich mit dem Problem der Linearisierung der nicht-linearen Charakteristik der Meßanordnung, offenbaren jedoch keinerlei Vorkehrungen zur Kompensation des Leitungswiderstandes.

Aus der US 39 24 470 ist eine Temperatur-Meßschaltung bekannt, bei welcher zur Minderung des Problems des Leitungswiderstandes drei Leitungen verwendet werden. Die bekannte Schaltungsanordnung ist jedoch nur bei kleinen Längen der Verbindungs-Fernleitungen brauchbar, die wegen ihrer kleinen Länge nur zu geringen Änderungen des gemessenen Widerstandswertes des Meßwiderstandes führen.

Eine Schaltungsanordnung mit drei Verbindungs-Fernleitungen zu dem Meßwiderstand offenbart auch bereits die DE 24 47 629 A1. Diese bekannte Schaltungsanordnung weist einen Verstärker mit zwei Eingängen, die einen praktisch unendlich großen Eingangswiderstand haben, auf, wobei der eine Verstärkereingang an das der Schaltungsanordnung nahe Ende von einer der beiden der Stromversorgung des Meßwiderstandes dienenden Verbindungs-Fernleitungen angeschlossen ist und der andere Eingang über die dritte Verbindungs-Fernleitung mit dem dem Meßwiderstand nahen Ende dieser stromführenden Verbindungs-Fernleitung verbunden ist, so daß zwischen den Verstärkereingängen eine Spannungsdifferenz vorhanden ist, die dem Spannungsabfall an dieser einen stromführenden Verbindungs-Fernleitung entspricht. Der Verstärker ist so geschaltet, daß an seinem Ausgang eine Spannung erscheint, die gegenüber der Eingangsspannung invertiert und dieser bzw. dem Spannungsabfall an der genannten stromführenden Verbindungs-Fernleitung dem Betrag nach angepaßt ist. Diese Ausgangsspannung wird zur Kompensation des Stromabfalls an beiden stromführenden Verbindungs-Fernleitungen verwendet. Für die Kompensation wird mindestens ein weiterer Verstärker eingesetzt, wobei diese zusätzliche Verstärkeranordnung im einfachsten Falle aus einem Summierverstärker besteht.

Die vorstehend geschilderte bekannte Schaltungsanordnung setzt zur vollständigen Eliminierung des Einflusses der Spannungsabfälle an den stromführenden Verbindungs-Fernleitungen auf das Meßergebnis voraus, daß diese beiden Leitungen einen gleichen Widerstand haben. Dies ist zwar häufig, aber nicht immer der Fall. Außerdem erfordert die Realisierung der bekannten Schaltungsanordnung einen hohen schaltungstechnischen Aufwand. Überdies sind die Verstärkungsfaktoren der einzelnen Verstärker kritische Größen, die genau aufeinander abgestimmt sein müssen, wobei auch der Temperaturgang kritisch ist. Es ist auch nicht, jedenfalls nicht auf einfache Weise, zu bewerkstelligen, daß evtl. Offsetspannungen einzelner Verstärker der Verstärkeranordnung keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, welche auch bei sehr großen Leitungslängen eine besonders exakte Kompensation der Leitungswiderstände, auch wenn diese nicht exakt gleich sind, ermöglicht und trotzdem schaltungstechnisch auf sehr einfache Weise realisierbar ist, und die überdies grundsätzlich die Möglichkeit bietet, Offsetspannungen der aktiven Verstärkerelemente gegeneinander auf einfache Weise zu kompensieren.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können unterschiedliche Spannungsabfälle an den der Stromversorgung des Meßwiderstandes dienenden Verbindungs-Fernleitungen durch eine entsprechende Bemessung des zweiten und des dritten Widerstandes der Serienschaltung berücksichtigt werden. In jedem Falle ist eine vollständige genaue Kompensation der Leitungswiderstände erzielbar. Die aktive Kompensationsanordnung kann sehr einfach verwirklicht werden. Gemäß der im Patentanspruch 2 gekennzeichneten bevorzugten Ausführungsform kann sie einfach aus einem zweiten Differenzverstärker bestehen, der gemäß Patentanspruch 2 an die Serienschaltung aus dem zweiten und dem dritten Widerstand angeschlossen ist. Dieser zweite Differenzverstärker kann von der gleichen Art sein wie der Differenzverstärker, in dessen Rückkopplungszweig sich der Meßwiderstand befindet. Dadurch besteht prinzipiell die Möglichkeit, auch Differenzverstärker mit gleicher Offsetspannung einzusetzen, wobei sich dann deren Offsetspannungen ebenso wie die Leitungswiderstände gegenseitig kompensieren und so ohne Einfluß auf die Messung des Widerstandswertes des Meßwiderstandes bleiben.

Nachstehend wird anhand der Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 Ein Schaltschema einer Schaltungsanordnung bekannter Art, auf der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aufbaut, und

Fig. 2 Ein Schaltschema der bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker 4 zum Erzeugen einer zu Widerstandsänderungen eines Meßwiderstandes proportionalen Ausgangsspannung.

Eine Batterie 2 erzeugt eine Spannung E, welche der Verbindung zwischen Widerständen 6 und 8 zugeführt wird, die jeweils einen Widerstandswert R haben. Die Widerstände 6 und 8 sind jeweils mit den Eingängen 22 bzw. 24 eines Operationsverstärkers 4 verbunden. Als Operationsverstärker könnte beispielsweise ein Typ National Semiconductor LM 108 verwendet werden. Ein dritter Widerstand 10, der einen Widerstandswert R aufweist, bildet mit dem Widerstand 8 einen Spannungsteiler, um den Gleichspannungspegel am Eingang 24 einzustellen. Ein Widerstand 12, der einen Widerstandswert R _T aufweist, bildet den Meßwiderstand und ist parallel zu dem Eingang 22 und dem Ausgang des Operationsverstärkers 4 über Verbindung-Fernleitungen 14 und 16 angeschlossen. Die Ausgangsspannung E₀, welche an den Klemmen 18 und 20 anliegt, ändert sich bei einer Veränderung von R _T, die dann auftritt, wenn sich die Temperatur verändert.

Durch eine übliche elektrische Analyse läßt sich zeigen, daß folgende Gleichung gilt:

Wenn daher R derart gewählt wird, daß beispielsweise bei Zimmertemperatur der Wert R _T vorhanden ist, dann wird E₀ negativ, wenn R _T über den Wert R ansteigt, während hingegen E₀ positiv wird, wenn R _T unter den Wert R abfällt.

Die obige Analyse läßt den Widerstand (R _L) in jeder der Verbindungs-Fernleitungen 14 und 16 außer Betracht, der gemäß den obigen Ausführungen erheblich sein kann. Um auch diesen Widerstand zu berücksichtigen, muß die Gleichung (1) modifiziert werden:

E₀ ist sicherlich keine exakte Darstellung für Veränderungen in R _T, weil diese Spannung durch den Leitungswiderstand 2 R _L erheblich beeinflußt, wird.

Die Fig. 2 veranschaulicht ein Schaltschema für eine durch eine Spannung gespeiste Schaltungsanordnung zur Fernabtastung von Meßwiderständen, welche Vorkehrungen enthält, die dazu dienen, Leitungswiderstandsfehler zu kompensieren. Ein Teil dieser Schaltung ist mit derjenigen der Fig. 1 identisch. Daher werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Schaltung der Fig. 2 enthält eine Spannungsquelle 2, um eine Spannung E Volt an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 6 und 8 zu führen, von denen jeder einen Widerstandswert R aufweist. Die Widerstände sind ihrerseits mit den Eingängen 22 bzw. 24 des Operationsverstärkers 4 verbunden. In ähnlicher Weise bildet ein Widerstand 10, der einen Widerstandswert R aufweist, mit dem Widerstand 8 gemeinsam einen Spannungsteiler, um den Gleichspannungspegel am Verstärkereingang 24 einzustellen. Der Widerstand 12, welcher einen Widerstandswert R _T aufweist, wird wiederum als Meßwiderstand verwendet. Der Meßwiderstand 12 ist jedoch hier mit der übrigen Schaltung über drei Verbindungs-Fernleitungen 26, 28 und 30 verbunden anstatt von zwei Leitungen. Jede dieser Leitungen hat einen Leitungswiderstand von der Größe R _L.

Die Verbindungs-Fernleitung 26 verbindet den Widerstand 12 mit dem Widerstand 6 und mit dem Eingang 22 des Verstärkers 4. Die Verbindungs-Fernleitung 28 verbindet den Widerstand 12 mit dem invertierenden Eingang 32 des Operationsverstärkers 36. Schließlich verbindet die Verbindungs-Fernleitung 30 den Widerstand 12 mit dem Ausgang des Verstärkers 36 und mit dem Widerstand 38, der einen Widerstandswert R _A aufweist. Weiterhin ist der nicht invertierende Eingang 34 des Verstärkers 36 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 38 und 40 verbunden. Der Widerstand 40 hat ebenfalls einen Widerstandswert R _A.

Die zusätzlichen Schaltungsteile gemäß Fig. 2 kompensieren die Spannungsabfälle, welche durch den Erregungsstrom I hervorgerufen werden, der durch die Leitungswiderstände fließt. Da derjenige Strom, welcher durch den invertierenden Eingang 32 des Operationsverstärkers 36 gezogen wird, nicht ins Gewicht fällt, wird nur ein Spannungsabfall an R _L (Leitung 30) zwischen dem Ausgang des Verstärkers 36 und seinem invertierenden Eingang 32 eingeprägt. Die Verstärkung des Verstärkers 36 bei offener Schleife kann als unendlich angenommen werden. Wenn die Schaltung stabil ist, ohne daß der Verstärker 36 in die Sättigung getrieben ist, müssen sich die Spannungen an dem invertierenden Eingang 32 und an dem nicht invertierenden Eingang 34 so einstellen, daß sie jeweils gleich sind. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Ausgangsspannung um zwei Spannungsabfälle an R _L unter der Ausgangsspannung E₀ liegt, und wird durch die wegen der als gleich angenommenen Leitungswiderstände R _L hier gleichen Widerstände 38 und 40 bewirkt, welche einen Spannungsteiler bilden, der durch zwei teilt und der nur auf die Spannung E₁ zwischen den Ausgängen der Verstärker 4 und 36 einwirkt.

Bei zweckmäßig gewählten Widerstandswerten sind die Offset-Spannungen der Verstärker und ihre Temperaturabhängigkeit die verbleibenden wesentlichen Fehlerquellen. Wenn jedoch die Offsetspannungen e₁ und e₂ der Verstärker 4 und 36 jeweils ausgeglichen werden und den gleichen Temperaturgang aufweisen, werden der Offset und die Offset-Temperaturdrift aufgrund der Versatzspannungen e₁ und e₂ und damit die temperaturabhängige Fehlanpassung vermindert, wie dies die folgende Analyse veranschaulicht. Gemäß Fig. 2 gilt die folgende Gleichung:

nach einer entsprechenden Umformung ergibt sich daraus

oder

E₁ = -2 IR _L + 2 (e₂). (4)

Für die Erregungsschaltung ergibt sich unter Verwendung der Spannungsteilerformel und der Schleifenanalyse folgende Beziehung:

Wenn die Terme -2 IR _L+ 2 (e₂) = E₁ aus der Gleichung (4) den Term 2 IR _L kompensieren und die verbleibenden Terme neu geordnet werden, so ergeben sich folgende Beziehungen:

Da bei den meisten Anwendungen R _T ≈ R, gilt

Bei monolithischen bipolaren Eingangsverstärkern gewährleistet eine Offset-Anpassung eine Driftmitführung oder Driftnachführung mit hoher Genauigkeit. Deshalb lassen sich Operationsverstärker mit einem Driftausgleich leicht herstellen.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß eine spannungsgespeiste Widerstands-Fernabtastanordnung offenbart wurde, welche eine von der Industrie akzeptierte Drei-Draht-Verbindung verwendet und solche Fehler vermeidet bzw. kompensiert, welche von Spannungsabfällen an Leitungen herrühren. Die Vermeidung bzw. Kompensation von Fehlern gelingt für alle vernünftigen Werte von R _L. Da eine Spannungserregung oder Spannungsspeisung verwendet wird, können viele Schaltungen durch dieselbe Präzisions-Bezugsspannungsversorgungseinrichtung gespeist oder erregt werden. Die erfindungsgemäße Schaltung liefert ein lineares Ausgangssignal, unabhängig von der Fehlanpassung zwischen R _T und R und benötigt keine komplizierten elektromechanischen Servoschleifen zur automatischen und kontinuierlichen Ablesung. Schließlich können hinsichtlich der Drift kompensierte oder ausgeglichene Paare von Operationsverstärkern verwendet werden, um Offset-Fehler zu vermeiden.

Claims

1. Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die Widerstandsänderungen eines fernen Meßwiderstandes proportional ist, der über eine erste Verbindungs-Fernleitung, die seine eine Klemme mit dem invertierenden Verstärkereingang verbindet, und eine zweite Verbindungs-Fernleitung, die an seine andere Klemme angeschlossen ist, in einem Rückkopplungszweig zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Verstärkers angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Verbindungs-Fernleitung bestimmte Widerstandswerte aufweisen, der invertierende Eingang des Differenzverstärkers über einen Widerstand an eine Eingangsspannung angeschlossen ist und der nicht-invertierende Eingang des Differenzverstärkers mit dem Mittelabgriff eines von der Eingangsspannung beaufschlagten Spannungsteilers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verbindungs-Fernleitung (30) über eine Serienschaltung aus einem zweiten und einem dritten Widerstand (38, 40) mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (4) verbunden ist und die andere Klemme des Meßwiderstandes (12) über eine dritte Verbindungs-Fernleitung (28) an eine aktive Kompensationsanordnung (36) geführt ist, die so an die Serienschaltung aus dem zweiten und dem dritten Widerstand (38, 40) angeschlossen ist, daß sie bei etwa gleichem Stromfluß durch die Widerstände der Serienschaltung an einem (40) der beiden Widerstände von dieser einen Spannungsabfall hervorruft, der dem Spannungsabfall an der ersten Verbindungs-Fernleitung (26) entspricht, und an dem anderen Widerstand (38) der Serienschaltung einen Spannungsabfall erzeugt, der dem Spannungsabfall an der zweiten Verbindungs-Fernleitung (30) entspricht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsanordnung aus einem zweiten Differenzverstärker (36) besteht, dessen invertierender Eingang (32) über die dritte Verbindungs-Fernleitung (28) mit dem Meßwiderstand (12) verbunden ist, wobei der zweite Widerstand (38) der Serienschaltung zwischen dem Ausgang und dem nicht invertierenden Eingang (34) des zweiten Differenzverstärkers (36) angeordnet ist und der dritte Widerstand (40) der Serienschaltung zwischen den Ausgang des - ersten - Differenzverstärkers (4) und den nicht invertierenden Eingang (34) des zweiten Differenzverstärkers (36) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus zwei gleichen Widerständen (8, 10) besteht.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Widerstand (38, 40) der Serienschaltung im wesentlichen gleiche Widerstandswerte aufweisen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärker (4, 36) Operationsverstärker sind.