DE3009444A1 - Verfahren und messschaltung zum messen physikalischer groessen - Google Patents

Description

• Verfahren und Meßschaltung zum Messen
• physikalischer Größen Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Meßi schaltung zum Messen physikalischer Größen wie Temperatur, Feuchte, Druck, Widerstände, Kapazitäten und dergleichen, wobei die Funktionskurve der physikalischen Größe in Abhängigkeit von dem mittels eines Oszillators erzeugten Ausgangssignal verläuft und einen stetigen Verlauf aufweist und daß aus den sich ändernden Daten des die physikalische Größe messenden Fühlers das Ausgangssignal in einer Auswerteschaltung verarbeitet und zur Anzeige gebracht wird.
• Es ist in der Meßtechnik bekannt, zum Erfassen physikalischer Größen, wie beispielsweise Temperaturmessungen, Feuchtemessungen, Druckmessungen und hierbei spezielle Höhen- und Tiefenmessungen,Durchflußmessungen, Wegmessungen, Co-Messungen und dergleichen, Meßumformer in Form von Oszillatoren einzusetzen, die das von einem Fühler erzeugte Signal in ein Frequenz-, Zeit- oder dergleichen Signal umformen, wobei dieses Signal über eine Auswertelogik gezählt und dann das Meßergebnis in Form einer Digitalanzeige oder an einem Analogausgang dargestellt wird. Alle diese bekannten Verfahren und Meßschaltungen arbeiten damit, daß der Meßumformer regelmäßig abgeglichen wird. Eine solche Meßanordnung muß also ständig überwacht werden, da ansonsten ungenaue Meßdaten produziert werden. Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß eine relative Messung durchgeführt wird, so daß die Einstelldaten bekannt sein müssen. Es ist bei großen Meßbereichen schwer, kleine Differenzen im Rahmen mehrerer Messungen genau zu bestimmen. Nachteilig ist es auch, daß bei diesem Verfahren die Ubertragungskennlinie genau bekannt sein muß, so daß an die ohmschen, kapazitiven und induktiven Bauteile hohe Qualitätsanforderungen in Bezug auf Genauigkeit zu stellen sind. Weiterhin ergeben sich bei diesem bekannten Verfahren Ungenauigkeiten infolge von Temperaturabhängigkeit oder Alterung der Bauteile.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und eine entsprechende Meßschaltung vorzuschlagen, bei dem eine genaue, störsichere und absolute Messung der Jeweiligen physikalischen Größe möglich ist.
• Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß einem ohmschen, kapazitiven oder induktiven Meßfühler ein entsprechendes elektrisches Bauteil bekannter Größe zugeordnet wird, daß durch definiertes Verändern der frequenzbestimmenden Glieder, nämlich des Meßfühlers und des bekannten Bauteils die Tangente an dem Meßpunkt der Funktionskurve bestimmt wird und daß die Ausgangssignale von der Auswerteschaltung digitalisiert und der absolute Meßwert errechnet wird.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sowie einer entsprechenden Meßschaltung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.
• Die Erfindung bringt den wesentlichen Vorteil, daß das Meßverfahren absolut wartungsfrei durchgeführt werden kann, wobei ein Abgleich des Umformers nicht notwendig ist. Bauteiltoleranzen sowie Driftprobleme werden im Rahmen des Verfahrens erfaßt und eliminiert, wobei auch ein Leitungsabgleich bzw. besondere selektierte Bauteile nicht erforderlich sind. Die Umformerkennlinie braucht nicht linear zu sein, sie muß lediglich stetig verlaufen. Durch eine Parallelschaltung der Schalteransteuerung und Umschalten des Ausgangssignals mit nur einer Auswertelogik, läßt sich eine Vielfachmessung durchführen. Mit Hilfe von Opto-Kopplern ist besonders einfach eine Potentisltrennung möglich, da nur Digitalsignale übertragen werden.
• Die Erfindung wird in-der nachfolgenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Es zeigen, Figur 1 ein Blockschaltbild einer Meßschaltung nach dem Verfahren, Figur 2 eine vereinfachte Darstellung des Meßkreises nach der Erfindung, Figur 3 die Darstellung einer Umformerkennlinie, Figur 4 ein besonderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung im Rahmen eines RC-Os-Oszillators, Figur 5 eine Sohaltungsanordnung, wenn die Meßgröße in direkter Beziehung zu einem ohmschen Widerstand steht und Figur 6 den Funktionsverlauf einer derartigen Schaltungsanordnung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sei nachstehend an Hand der Figuren 1 bis 3 ganz allgemein erläutert, wobei der Sensor oder Meßfühler 1 entweder ein ohmsches, kapazitives oder induktives Bauteil sein kann. Abhängig ist dies Jeweils von der zu messenden physikalischen Größe, wobei beispielsweise bei der Temperaturmessung temperaturabhängige Widerstände (PtlOO) verwendet werden, ebenso bei der Druckmessung, bei der Wegmessung, bei der Waage und dergleichen. Bei der Feuchtemessung verwendet man kapazitive Fühler, ebenso bei der CO-Messung, während beispielsweise bei der Wegmessung auch induktive Fühler verwendet werden.
• Das vom Sensor kommende Signal wird in einem nachgeordneten Meßumformer 2 (Oszillator) in ein Zeit- oder Frequenzsignal umgewandelt. Eine solche Umformerkennlinie ist in Figur 3 dargestellt, @@bei der Meßpunkt dadurch bestimmt wird, daß die Tangente an die Kurve gelegt wird. ie Kurve stellt sich wie folgt dar: y = C . f (K1, K2, x) + C0 hierbei ist f (K1, K2, x) abhän ig von den Schalterstellungen und 52 sowie der Unbekannten x.
• Durch entsprechendes Umschalten der bekannten Größen K1 und K2 und dem bekannten Zusammenhang f (K1, K2, x) lassen sich die Unbekannten C und C0 bestimmen.
• Für die Bestimmung von x muß der Verlauf der Umformerkennlinie nicht bekannt sein, da bei der Messung Jeweils nur mit der Tangente am Meßpunkt gearbeitet wird. Die einzige Bedingung besteht darin, daß die Umformerkennlinie stetig verlaufen muß. Verläuft die Umformerkennlinie beispielsweise durch den Ursprung, dann genügt zur Bestimmung von x eine einzige Konstente K1 und somit nur eine Umschalteinrichtung.
• Die dem Meßumformer zugeordnete Auswerteschaltung bzw. Auswertelogik 3 bestimmt aus dem Signal des Meßumformers die eigentliche physikalische Größe des Sensors und führt eine Kalibrierung durch, indem die Tangente an dem Meßpunkt bestimmt wird. Nun kann mit Hilfe der bekannten Sensorkennlinie die zu bestimmende physikalische Größe berechnet werden (Linearisierung). Es ist also festzuhalten, daß Meßumformer 2 und Auswertelogik 3 zusemmen eine funktionsfähige Einheit bilden. Im Prinzip stellt also der Meßumformer 2 den Signalgeber dar, während die Auswertelogik 3 dieses abgegebene Signal digitalisiert und den absoluten Meßwert errechnet und zur Anzeige bringt oder als Analogsignal abgibt.
• Nachstehend sei die Erfindung anhand eines ganz speziellen Ausführungsbeispiels erläutert-und zwar in Verbindung mit einem Tempersturmeßumformer. Hierbei zeigt die Figur 4 ganz allgemein einen RC-Oszillator 4 für den folgende Beziehung gilt: (Gl.l) T = R . C Konst. T - Periodendauer der Schwingung Konst = bsusrtbedingte Konstante des Oszillators R, C P frequenzbestimmend Bauteile des Oszil lators.
• Dieser Widerstand R kann in drei Einzelwiderstände aufgeteilt werden, wobei die Schaltung in Figur 5 dargestellt ist.
• ist hierbei der unbekannte Widerstand des Meßfühlers 1 (Temperatursensor), während Rs und Rv bekannte Widerstände dind, sowie S1 und S2 Sohalter zum Überbrücken der Widerstände Rx und Rv.
• Auch für diese Schaltung gilt sinngemäß Gleichung 1.
• In der Praxis wird die Ossillatorkonstante Jedoch durch Bauteiltoleranzen und von der Umgebungstemperatur sowie der Versorgungsspannung abhängen. Auch ist die Funktion T = f (R) nicht exakt linear. Um trotzdem mit dieser Schaltung messen zu können wird folgende Näherung für = = f (R) angesetzt: (G1. 2) T = K . (Rs+Rv+Rx) + T0 (Gleichung einer Geraden, wobei S1 und S2 geöffnet sind).
• In K ist C enthalten. Der entsprechende Punkt ist in Figur 6 eingezeichnet.
• Zur genauen Messung muß diese Gerade möglichst als Tangente durch den Meßpunkt bestimmt werden. Dazu wählt man: Rv «Rx Der Meßvorgang verläuft dann wie folgt: Zur Bestimmung von K wird S2 geschlossen, wobei dann gilt: 1. 3) Tk = K .(Rs + Rx) +T0 Zur Bestimmung von T0 werden S2 geöffnet und S1 geschlossen und es gilt dann: (G1. 4) Tv = K . (Rv + Rs) + T-Mit Hilfe der Schalter erhält man so die drei Zeiten, die zur Bestimmung der drei Unbekannten Y, T0 und Rx aus den Gleichungen 2,3,4 notwendig sind.
• Aus Gleichung 2 erhält man dann: (G1. 5) Aus Gleichung 3 erhalt man dann: Wenn die Messung von T und Tk schnell aufeinander folgen, kann in dieser Zeit- Rx als konstant angenommen werden.
• Durch Gleichsetzen von Gleichung 5 und Gleichung 6 folgt: womit die Konstante bestimmt ist.
• Aus Gleichung 4 undGleichung 7 ergibt sich: (G1. 8) T0 = Tv - K . (Rv + Rs) Zur Bestimmung von K und T0 genügt somit ein einziger genauer Widerstand (Rv), wie sich durch Einsetzen der Gleichung 7 und Gleichung 8 in Gleichung 2 beweisen läßt: Die Genauigkeit der Messung liegt somit nur an der Genauigkeit von . D5e Gleichung 9 zeigt außerdem, daß für die Auswertung des Signals T die Zeitmessung nicht absolut genau, sondern nur kurzzeitstabil sein muß. Daraus folgt auch, daß nur Rv bekannt sein muß.
• Wegen der umfangreichen Berechnungen verwendet man für die Auswertelogik zweckmäßigerweise einen Mieroprozessor, der dann auch die Umrechnungen und Linearisierung vornimmt.
• Es ist sinnvoll, die kompletten Bauteile des Oszillators möglichst nahe am Fühler unterzubringen, damit Leitungslängen das Meßergebnis nicht verfälschen. Um die dadurch notwendigen 5-Leiterverbindungen zur Auswerteelektronik zu reduzieren, erfolgt die Aussteuerung der Schalter über eine einzige Leitung durch verschieden hohe Spannungspegel

Claims (1)

1. Patentansprüche 1) Verfahren zum Messen physikalischer Größen wie Temperatur, Feuchte, Druck, Widerstände, Kapazitäten und dergleichen, wobei die Funktionskurve der physikalischen Größe i @@-hängigkeit von dem mittels eines Oszillators erzeugten Ausgangssignal verläuft und einen stetigen Verlauf aufweist und daß aus den sich ändernden Daten des die physikalische Größe messenden Fühlers das Ausgangssignal in einer Auswerteschaltung verarbeitet und zur anzeige gebracht wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß einem oh@schen, kapazitiven oder induktiven Meßfühler ein entsprechendes elektrisches Bauteil bekannter Größe zugeordnet wird, daß durch definiertes Verändern der frequenzbestimmen Glieder, nämlich des Meßfühlers und des bekannten Bauteils die Tangente an dem Meßpunkt der Funktionskurve bestimmt wird und daß die Ausgangssignale von der Auswerteschaltung digitalisiert und der absolute Meßwert errechnet wird 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Bauteils bekannter Größe zu dem Bauteil des Meßfühlers derart gewählt wird, daß entsprechend der Krümmung der Funktionskurve der Meßpunkt dem tatsächlichen Meßpunkt angenähert wird.

   3) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verarbeitung der Ausgangssignale, nämlich Umrechnungen und Linearisierung der Signale, als Auswerteschaltung ein Mikroprozessor verwendet wird.

   4) Meßschaltung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (1) als ohmscher, induktiver oder kapazitiver Baustein (Rv) eines Oszillators (2) geschaltet ist, dem ein Vergleichsbaustein (Rv) bekannter Größe zugeordnet ist, wobei die Bauteile (Rx, Rv) mit Hilfe von Schaltern (S1, S2) nacheinander umschaltbar sind und daß der Ausgang des Oszillators (2) mit einer digitalen Auswerteschaltung (3) verbunden ist.

   5) Meßschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (3) ein Mikroprozessor ist.

   6) Meßschaltung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem ohmschen Meßfühler (Rx) ein RC-Oszillator (RsC vorgesehen ist und zum dem Meßfühler (Rx) ein definierter Widerstand (Rx) in Reihe geschaltet ist, wobei die Widerstände (Rx, Rv) mit Hilfe von Schaltern (S1, S2) überbrückbar sind.

   7) Meßschaltung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzsichnet, daß das Kndern des definierten Widerstandes (Rv) durch Parallelschalten mittels Schalter eines weiteren bekannten Widerstandes vorgesehen ist.

   8) Meßschaltung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gejkenn7canet, daß als Schalter (S1, S2) Reed-Relais oder elektronische Schalter vorgesehen sind.