DE3524530A1

DE3524530A1 - Auswerteelektronik fuer differenzialwiderstaende zur verwendung in sensoren

Info

Publication number: DE3524530A1
Application number: DE19853524530
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Prof. Dr.-Ing. Haberland; Berthold Dipl.-Ing. 6750 Kaiserslautern Vogt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-07-10
Filing date: 1985-07-10
Publication date: 1986-02-13

Description

B e 5 c h r e i b u n g
Auswerteelektronik für Differentialwiderstände Die Erfindung betrifft eine Auswerteelektronik für Differentialwiderstände mit einer pulsbreiten modulierten Rechteckausgangsspannung bei der ein Kondensator wechselweise über jeweils einen der 2 Teilwiderstände auf die positive + Uref bzw. negative - Uref Referenzspannung umgeladen wird.
Die Differentialwiderstände werden hauptsächlich als Meßwertaufnehmer eingesetzt, wobei sich der Widerstandswert z.B. entweder über einen mechanischen Schleifkontakt nach Fig. 1a (Wegaufnehmer) oder über temperaturabhängige Einzelwiderstände nach Fig. 1b verändern läßt. Weitere Aufnehmer basierend auf dem oben geschilderten Brückenmeßverfahren sind denkbar, z.B. DIS-Aufnehmer nach Fig. lc, oder Elektrolytlibellen oder Posicons und andere. Für die Auswertung von Differentialwiderstandsaufnehmern weist das Umladeverfahren aufgrund der geringen Bauelementeanzahl, Driftarmut und der Proportionalität der Ausgangsspannung zur Meßgröße wesentliche Vorteile gegenüber anderen Schaltungen auf.
Bei einer nach dem bisherigen Stand der Technik verwendeten Schaltungen (Fig. 2) werden z.B. die über den Teilwiderständen R1 und R2 abfallende Spannungen U1 und U2 verstärkt und gleichzeitig einem Additions- und Subtraktionswerk zugeführt. Die Differenz bzw. die Summe der Spannungen wird anschließend in einem Dividierer weiterverarbeitet, an dem ein zur Meßgröße proportionaler Meßwert abgenommen werden kann. In dieser eben beschriebenen Schaltung werden eine Reihe von mathematischen Verknüpfungen auf elektronischem Wege durchgeführt, bei denen die Stabilität der Bauelemente, vor allem des Dividierens, stark temperatur- und zeitabhängig sind. Weiterhin benötigt man für diese Schaltung eine relativ große Anzahl von Bauteilen, was sowohl den Preis als auch den Platzbedarf erhöht.
Die Aufgabe einer Meßwertverarbeitung bei einem Differentialwiderstand wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kondensator wechselweise über jeweils einen der beiden Teilwiderstände bis zu einer positiven bzw. negativen Referenzspannung ungeladen wird.
Im eingeschwungenen Zustand beträgt die Ladezeit tl zum Laden dcs Kondensators C2 von der negativen Referenzspannung - Uref2 auf die positive Referenzspannung + Uref1 über den Teilwiderstand R1 mit U1 = positive Ladespannung Die Ladezeit t2 zum Umladen des Kondensators C2 von der positiven Referenzspannung + Uref1 auf die negative Referenzspannung - Uref2 über den Teilwiderstand R2 beträgt: mit -U2 = negative Ladespannung Während den entsprechenden Ladezeitentj steht am Ausgang der Aufnehmerelektronik die stabilisierte Spannung + U1 bzw. - U2 an (Fig. 3). Der Gleichspannungsanteil des pulsbreiten modulierten Rechtecksignals beträgt: Unter der Voraussetzung, daß 1U11 = 1U21 ergibt sich: Nach Einsetzen der Ladezeiten tl und t2 in Gleichung (3) und unter der oben genannten Voraussetzung, d.h. auch daß lUrefi uref2l ist, folgt Für die in Fig. la gezeigte Anordnung ist und Ro = Widerstand in Mittelstellung = R/2 Xo = Mittelstellung des Schleifers X = Verschiebung von Mittelstellung Nach Einsetzen der Gleichungen (5) und (6) in (4) ergibt sich Die Ausgangsspannung nach der Tiefpaßfilterung der in Fig. la gezeigten Anordnung ist somit streng linear von der Verschiebung X abhängig. Den gleichen linearen Zusammenhang zwischen Temperatur und Ausgangsspannung ergibt sich auch bei der in Fig. 1b gezeigten Anordnung unter der Voraussetzung, daß die Temperaturmeßwiderstände entgegengesetzte Kennlinien, d.h. PTC und NTC-Verhalten, mit dem Betrag nach gleichen Gradienten besitzen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe dieser einfachen Auswerteelektronik ein der Meßgröße proportionaler Meßwert nach der Tiefpaßfilterung aus dem pulsbreiten modulierten Rechtecksignal gewonnen wird. Außerdem ist der Meßwert von der Stabilität des zu ladenden Kondensators unabhängig, da der Strom über jeden Teilwiderstand den gleichen Kondensator lädt, so daß auch für Präzisionsanwendungen ein einfacher Kondensator eingesetzt werden kann und hochpräzise Anwendungen überhaupt erst möglich werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Fig. 4 bis 11 dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
In Fig. 4 ist die Auswerteelektronik für einen Differentialwiderstand mit den Einzelwiderständen 1 und 2 dargestellt. Der Widerstand 1 und der Spannungsteiler zur Erzeugung der Referenzspannung + Uref bestehend aus den Widerständen 3 und 4 liegen permanent an der positiven Ladespannung U1. Der Widerstand 2 und der Spannungsteiler zur Erzeugung der Referenzspannung - Uref bestehend aus den Widerständen 5 und 6 liegen permanent an der negativen Ladespannung - U1. In der gezeigten Anordnung wird durch den Umschalter 7 der Kondensator 8 über den Widerstand 1 bis + Uref geladen. Der Komparator 9 vergleicht die Kondensatorspannung Uc mit der Referenzspannung + Uref und ändert seinen Ausgangswert sprungartig, wenn die Kondensatorspannung Uc nur geringfügig größer als Uref ist. Das den Komparatoren nachgeschaltete R-S Flip-Flop 11 ändert daraufhin seinen Zustand, was den Schalter 7 umspringen läßt. Der Kondensator 8 wird nun über den Widerstand 2 bis - Uref geladen. Nun vergleicht der Komparator 10 die Kondensatorspannung Uc mit der Referenzspannung - Uref und ändert sprunghaft seinen Ausgangswert, wenn die Kondensatorspannung Uc nur geringfügig kleiner als - Uref ist. Daraufhin springt die Schaltung wieder in den gezeigten Grundzustand zurück. Mit dem Schalter 12 wird die Ausgangs spannung Uz zum gleichen Zeitpunkt von U1 auf - U1 umgeschaltet. Wird die Versorgungsspannung des Flip-Flop's auf U1 bzw. - U1 stabilisiert, so läßt sich die pulsbreiten modulierte Ausgangsspannung direkt an den Ausgängen Q bzw. Q abnehmen.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung wird die Referenzspannung, die mit den Widerständen 3 und 4 gebildet wird, synchron mit dem Schalter 12 umgeschaltet. Für den Zeitraum, in dem der Kondensator 8 bis + Uref geladen wird, liegt der Spannungsteiler über dem Schalter 7 an der positiven Ladespannung U1. Wird der Kondensator bis Uref geladen, so liegt der Spannungsteiler an der negativen Ladespannung - U1. Die Rechteckausgangsspannung kann direkt hinter dem Umschalter 7 abgegriffen werden.
In Fig. 6 wird die Schalterstellung der Schalter 7 und 12 direkt von den Komparatoren beeinflußt. Hier verbleibt im Gegensatz zu der in Fig. 4 gezeigten Schaltung der Ausgangswert der Komparatoren so lange auf einem konstanten Spannungsniveau, solange der Kondensator über einem Widerstand geladen wird. Nach Beenden des Ladevorgangs springen die Ausgangswerte beider Komparatoren um, wobei die Spannungen komplementär zueinander sind. Mit Hilfe dieser komplementären Komparatorspannungen lassen sich direkt einfache Ein/Aus-Schalter bzw. n-Kanal und p-Kanal Feldeffekttransistoren ansteuern.
Werden, wie in Fig. 7 gezeigt, Umschalter verwendet, so läßt sich deren Schaltungszustand nur mit einem Komparator steuern. Der Ausgangswert des Komparators 9 bleibt, solange der Kondensator 8 über den Widerstand 1 bis auf Uref geladen wird auf + Uv. Wird die Referenzspannung erreicht, so springt der Ausgangswert des Komparators auf - Uv um und verbleibt solange der Kondensator 8 über den Widerstand 2 geladen wird, in diesem Zustand.
In der in Fig. 8 gezeigten Schaltung werden die Widerstände 1 und 2 und der Spannungsteiler zur Erzeugung der Referenzspannung Uref (Widerstand 3 und 4) gemeinsam mit dem Schalter 7 umgeschaltet. Der Schalter 12 wird gleichzeitig umgelegt und verbindet den entsprechenden Widerstand mit dem Kondensator 8. Hierdurch wird ein Dreileiteranschluß des Differentialwiderstandes ermöglicht.
In Fig. 9 ist eine Schaltung dargestellt, bei der die Ladespannung über den Umschalter 7 an den Spannungsteiler bestehend aus dem Widerständen 3 und 4 umgeschaltet wird.
Mit zwei Ein/Aus Schaltern 12a und 12b wird die entsprechende Ladespannung mit den zugehörigen Widerständen verbunden. Die Einzelschalter 12a und 12b müssen komplementäre Zustände besitzen, was durch Verwendung zweier Komparatoren direkt oder über ein zwischengeschaltetes R-S Flip-Flop erreicht wird.
In Fig. 10 ist eine Schaltung dargestellt, bei der die Stromrichtung zum Laden des Kondensators 8 über die Dioden 14 und 15 vorgegeben ist. Im gezeigten Zustand fließt der Strom zum Laden des Kondensators bei Anliegen einer positiven Ladespannung U1 über die Diode 14 und den Widerstand 1. Liegt eine negative Ladespannung - U1 an, so fließt der Strom über den Widerstand 2 und die Diode 15. Diese Schaltung stellt die einfachste Version der Aufnehmerelektronik dar.
In Fig. 11 ist eine Kompensationsschaltung dargestellt, bei der der Störgrößeneinfluß, z.B. der Temperatureinfluß von Dehnungsmeßstreifen, auf den Meßwert eliminiert wird.
Hierfür sind, neben den Aufnehmerwiderständen 1 und 2, zusätzliche Teilwiderstände 16 und 17 vorhanden, deren Widerstandswerte sich nur mit der zu kompensierenden Störgröße, d.h. hier mit der Temperatur, ändern. Nach einem vollständigen Umladevorgang über die Widerstände 1 und 2 springt der Schalter 18 um, so daß daraufhin der Umladevorgang des Kondensators 8 über die Widerstände 16 und 17 erfolgt.
Die Taktfrequenz des Schalters 18 ist halb so groß als die Umladefrequenz, was z.B. durch ein T-Flip-Flop 19 erreicht wird, das synchron mit den Schaltern 7 und 13 getaktet ist. Wird, wie in Fig. 11 dargestellt, die positive Ladespannung an Widerstand 1 angeschlossen, so muß zur Störgrößenkompensation der Kondensator 8 über den Widerstand 17 mit der negativen Spannung - U1 geladen werden. Entsprechendes gilt für die Widerstände 2 und 16.
Sowohl Widerstand 1 und 17 als auch 2 und 16 sollten lokal dicht nebeneinander plaziert werden, so daß diese Widerstandspaare von der gleichen Störgröße beeinflußt werden.
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Claims

Patentansprüche 1. Auswerteelektronik für einen Differentialwiderstand mit Wechselseitigem Umladevorxang (über ein RC-Glied) und pulsbreiten modulierten Rechteckausgangsspannung ist dadurch gekennzeichnet, daß für den wcchselseitikcn Umladevorgang nur ein Kondensator für die beiden Tcilwiderstände eingesetzt wird.
2. Auswerteelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilität des Meßwertes infolge Verwendung nur eines Kondensators für den Unladevorgang unabhängig-von der Temperatur- und Langzeitdrift des Kondensators CL ist, so daß ein Kondensator Mit minderer Qualität eingesetzt werden kann.
3. Auswerteelektronik nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator abwechselnd erst bis zu einer ersten z.B. positiven Referenzspannung + Uref geladen und anschließend bis zu einer zweiten z.B. negativen Referenzspannung - Uref umgeladen wird.
4. Auswerteelektronik nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die 2 Referenzspannungen + Uref bzw. - Uref über einen Spannungsteiler aus den hochstabilen Ladespannungen + UL bzw. - UL durch einen Umschalter nach Fig. 5 erzeugt wird.
5. Auswerteelektronik nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Ein/Aus-Schaltern bzw.

entsprechender Feldeffekttransistoren die komplementären Ansteuersignale für diese Bauelemente direkt nach Fig. 6, (d. h. ohne Verwendung eines R-S Flip-flopts), von den Komparatoren abgegriffen werden kann.
6. Auswerteelektronik nach Anspruch t bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Umschaltern das Ansteuersignal direkt nach Fig. 7 von nur einem Komparator abgegriffen werden kann.
7. Auswerteelektronik nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom zum Laden des Kondensators mit Hilfe von Dioden über die entsprechenden Teilwiderstände nach Fig. 10 geleitet wird, wodurch sich ein Umschalter einsparen läßt.
8. Auswerteelektronik nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von Störgrößen, z.B.

der Temperatureinflüsse, die Umladung des Kondensators wechselweise über die Aufnehmer - und die Ausgleichswiderstände durchgeführt wird (Fig. 11), wobei der Umschalter für die Differentialwiderstände mit dem Taktverhältnis (Ladefrequenz/Umschaltfrequenz) 2 :1 angesteuert wird.