DE3634052A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur messung des widerstandswertes eines sensorwiderstandes - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur messung des widerstandswertes eines sensorwiderstandes

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    • G01R27/08Measuring resistance by measuring both voltage and current

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Widerstandswertes Rsens eines Sensorwiderstandes, dessen erster Anschluß mit einer Stromquelle verbunden und über einen ersten Leiter mit einem Instrumentenverstärker verbindbar ist und dessen zweiter Anschluß über einen zweiten Leiter mit dem Instrumentenverstärker koppelbar und mit einem dritten Leiter gekoppelt ist.
Ein solches Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens sind aus den Philips- Geräten KS 4400 oder KS 4450 bekannt. Derartige Geräte dienen beispielsweise zur Erfassung der Temperatur einer Flüssigkeit. Dabei werden zwei Stromquellen benutzt, die jeweils mit einem Eingang eines Instrumentenverstärkers verbunden sind. Eine Stromquelle ist mit dem einen Anschluß eines Sensorwiderstandes und die andere Strom­ quelle mit dem einem Anschluß eines Referenzwiderstandes verbunden. Der andere Anschluß des Sensorwiderstandes und der andere Anschluß des Referenzwiderstandes sind mit Nullpotential verbunden. Der Ausgang des Instrumenten­ verstärkers ist mit dem Eingang eines nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzers, der an seinem Ausgang digitale Signale für eine Anzeige oder für eine Reglereinheit liefert, verbunden.
Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren und dieser bekannten Schaltungsanordnung ist, daß die Stromquellen auf Gleichheit abgeglichen werden müssen, damit die Messung unabhängig von den Leitungswiderständen wird. Ebenso müssen Verstärkungsfehler und der Offset des Instrumentenverstärkers kompensiert werden, was aufwendige Arbeitsvorgänge darstellt. Da die ermittelten Werte in einer Digitalanzeige dargestellt werden, wird bei der bekannten Schaltungsanordnung ein Analog-Digital-Umsetzer angewendet. Dies hat zur Folge, daß neben der aufwendigen Abgleicharbeit zur Eliminierung der Leitungswiderstände noch die Temperaturdrift des Instrumentenverstärkers und noch zusätzlich die des Analog-Digital-Umsetzers in das Meßergebnis eingeht.
Das bekannte Verfahren und die bekannte Schaltungs­ anordnung eignen sich daher nicht zur Anwendung in Geräten, die marktbedingt in einem unteren Preisniveau angesiedelt sein müssen (low-cost-Geräte), da Analog- Digital-Umsetzer mit sehr geringer Temperaturdrift einen erheblichen Kostenfaktor darstellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auf einfache Weise der Widerstandswert des Sensorwider­ standes ohne Einfluß der Leitungswiderstände bestimmt wird.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß
  • a) eine Spannung U 1 zwischen dem ersten und zweiten Leiter ermittelt wird,
  • b) eine Spannung U 2 zwischen dem zweiten und dem ebenfalls mit dem Instrumentenverstärker verbindbaren dritten Leiter ermittelt wird und
  • c) eine Spannung U 3 über einen zwischen dem dritten Leiter und Nullpotential liegenden Bezugs­ widerstand Rs zur Bestimmung des durch die Leiter fließenden Stromes erfaßt wird, worauf
  • d) der Widerstandswert Rsens des Sensorwiderstandes an Hand der Gleichung berechnet wird.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Bestimmung des Widerstandswertes Rsens des Sensorwider­ standes auf einfache Art, nämlich durch Bestimmung der Spannungen zwischen den Leitern und am Bezugswiderstand und anschließender Berechnung erfolgt. Die Spannungen können hierbei zeitlich aufeinanderfolgend oder gleich­ zeitig ermittelt werden. Der Leitungswiderstand wird durch die Messung der Spannung U 2 bestimmt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Eingänge des Instrumentenverstärkers auf Null­ potential gelegt und werden nachfolgend die gemessenen Spannungen in einem dem Instrumentenverstärker nachge­ schaltetem Analog-Digital-Umsetzer in entspechende Digitalwerte umgesetzt, worauf der Widerstandswert Rsens aus der Gleichung
ermittelt wird, wobei Dn, n=1, 2, 3, die Digitalwerte der Spannungen Un, n=1, 2, 3, und D 0 der Digitalwert bei Nullpotential am Eingang des Instrumentenverstärkers ist.
Diese Digitalwerte, die am Ausgang des Analog-Digital- Umsetzers erzeugt werden, liefern in ihrer Gesamtheit durch einfache Umrechnung den entsprechend berechneten Widerstandswert Rsens des Sensorwiderstandes. Dabei ist es grundsätzlich so, daß die einzelnen Messungen der drei Spannungen U 1, U 2 und U 3 und Nullpotential in beliebiger Reihenfolge für eine Messung erfaßt werden können.
Hierbei geht die Temperaturdrift des Instrumenten­ verstärkers und des Analog-Digital-Umsetzers in die Messung nicht mit ein, d. h. diese Komponenten können im Vergleich zu den bisher üblichen Verfahren zur Messung eines Widerstandswertes verhältnismäßig einfach ausgeführt werden und die Kosten zur Ausführung des Verfahrens niedrig gehalten werden. Insgesamt braucht somit der Schaltungsaufwand der Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nur geringen Anforderungen in bezug auf das Temperaturverhalten zu genügen.
Vorteilhafterweise erfolgt die Berechnung des Widerstands­ wertes Rsens des Sensorwiderstandes über eine nachge­ schaltete Recheneinrichtung, die beispielsweise ein Microcomputer sein kann und die am Ausgang des Analog- Digital-Umsetzers liegt.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten und einem zweiten Leiter der Sensor­ widerstand angeordnet ist, wobei der erste Leiter mit einer Stromquelle verbunden ist, und ein dritter Leiter, der mit dem stromquellenfreien Anschluß des Sensor­ widerstandes gekoppelt ist, über einen Bezugswiderstand mit Nullpotential verbunden ist.
Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung gegenüber den bekannten Schaltungen besteht darin, daß hier lediglich eine Stromquelle verwendet wird, d. h. eine Abgleicharbeit zur gleichen Einstellung der Stromquellen entbehrlich ist. Die Stromquelle muß auch nicht unbedingt temperatur­ driftarm ausgelegt werden, da die Messung schnell durchge­ führt wird und somit die Messung weitgehend temperatur­ unabhängig ist. Lediglich der Bezugswiderstand muß hinreichend temperaturdriftarm sein.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Schaltungs­ anordnung sind die drei vom Sensorwiderstand wegführenden Leitungen mit den Eingängen eines Multiplexers verbunden, deren Ausgänge mit dem Instrumentenverstärker verbunden sind und ein weiterer Eingang des Multiplexers liegt auf Nullpotential. Der Multiplexer gestattet es, daß die einzelnen Leiter auf vorbestimmte Weise auf die Eingänge des Instrumentenverstärkers geschaltet werden, wobei der dem Instrumentenverstärker nachgeschaltete Analog- Digital-Umsetzer das Meßergebnis der Speichereinrichtung einer Recheneinrichtung oder einer beliebigen anderen Speichereinrichtung zuführt. Um ein präzises Meßergebnis zu erreichen, ist an die Multiplexerschalter lediglich die Forderung gestellt, daß diese sich bezüglich der Temperaturdrift möglichst gleich verhalten.
Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung zur Durchführung eines bisher bekannten Meßverfahrens unter Verwendung zweier Stromquellen,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung des Widerstands­ wertes eines Sensorwiderstandes.
Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Messung von Wider­ ständen ist in Fig. 1 dargestellt. Diese Schaltungs­ anordnung umfaßt zwei Stromquellen 11, die jeweils mit einem Eingang 160, 161 eines Instrumentenverstärkers 16 verbunden sind, wobei der Ausgang 162 mit dem Eingang 170 eines Analog-Digital-Umsetzers 17 verbunden ist. Darüber hinaus ist der Eingang 161 des Instrumentenverstärkers 16 mit einem Anschluß 25 eines Sensorwiderstandes 12 und der Eingang 160 des Instrumentenverstärkers 16 mit einem Anschluß eines Referenzwiderstandes 9 verbunden. Der andere Anschluß 26 des Sensorwiderstandes 12 ist einer­ seits an Nullpotential und andererseits an den anderen Anschluß des Referenzwiderstandes 9 angeschlossen. Sowohl in den beiden von den Stromquellen 11 kommenden Leitungen als auch in der den Anschluß 26 mit Nullpotential ver­ bindenden Leitung dieser bekannten Schaltungsanordnung ist ein Leitungswiderstand RL (naturgemäß) vorhanden.
Diese bekannte Schaltungsanordnung wird z. B. zur Temperaturmessung benutzt, sie hat jedoch den Nachteil, daß zwei Stromquellen nötig sind und zudem beide Strom­ quellen auf Gleichheit abgeglichen werden müssen, damit die Messung unabhängig von den Leitungswiderständen wird. Darüber hinaus müssen Abgleicharbeiten auf Grund der Abweichung von den gewünschten Werten des Instrumenten­ verstärkers 16 durchgeführt werden (z. B. Offset, Verstärkungsfehler). Ebenfalls müssen an die Gesamtmessung hohe Anforderungen in bezug auf die Temperaturdrift des Instrumentenverstärkers 16 sowie an die Temperaturdrift des nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzers 17 gestellt werden, was insgesamt dazu führt, daß diese Schaltungs­ anordnung in Geräten der niedrigen Preisklassen nicht einsetzbar sind.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes eines Sensorwiderstandes und zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung 10 umfaßt lediglich eine Stromquelle 11, die mit einem ersten Leiter 13 verbunden ist. Der erste Leiter 13 ist über den Anschluß 25 mit dem Sensorwiderstand 12 verbunden, wobei in diesem Leiter naturgemäß ein Leitungswiderstand vor­ handen ist, der hier durch den Widerstand 28 angedeutet wird. Darüber hinaus ist die Stromquelle 11 mit einem Eingang 20 eines Multiplexers 19 verbunden. Ein zweiter Leiter 14 ist einerseits mit dem anderen Anschluß 26 des Sensorwiderstandes 12 verbunden und andererseits mit einem zweiten Eingang 21 des Multiplexers 19. Ein dritter Leiter 15 ist einerseits ebenfalls mit dem Anschluß 26 des Sensorwiderstandes 12 verbunden und andererseits zum einen über einen Bezugswiderstand 18 mit Nullpotential und andererseits mit einem dritten Eingang 22 des Multiplexers 19 verbunden. Ein vierter mit Nullpotential verbundener Leiter 31 ist auf einen vierten Multiplexer­ eingang 33 gelegt. Auch im zweiten und dritten Leiter 14, 15 sind naturgemäß Leitungswiderstände vorhanden, die hier mit 29 und 30 bezeichnet sind.
Die beiden Ausgänge 23, 24 des Multiplexers 19 sind mit den Eingängen 160, 161 eines Instrumentenverstärkers 16 verbunden, dessen Ausgang 162 mit dem Eingang 170 eines Analog-Digital-Umsetzers 17 verbunden ist. Der Ausgang 171 des Analog-Digital-Umsetzers 17 ist mit einer Anzeige- und Recheneinrichtung 180 verbunden.
Zur Bestimmung des Widerstandswertes Rsens des Sensor­ widerstandes 12 werden vier Meß- bzw. Verfahrensschritte durchgeführt. Zunächst wird eine Spannung U 1 über dem Widerstandssensor 12 zur Bestimmung seines Widerstandes ermittelt, d. h. die Spannung zwischen den Leitern 13 und 14. Dann wird eine Spannung U 2 zwischen den Leitern 14 und 15 zur Erfassung der Leitungswiderstände ermittelt. Dann wird eine Spannung U 3 am Bezugswiderstand 18 zur Bestimmung des durch die Schaltungsanordnung 10 fließenden Stromes erfaßt. Schließlich verbindet der Multiplexer 19 seinen Eingang 33 mit seinen Ausgängen 23 und 24, so daß an den Eingängen 160 und 161 des Instrumentenverstärkers Nullpotential anliegt und bei dieser Eingangsspannung U 0 ein Digitalwert D 0 in der Recheneinrichtung 180 bestimmt wird. Die Bestimmung der Ausgangsspannung des Instrumentenverstärkers 16 bei kurzgeschlossenem Eingängen dient dazu, Abweichungen der gemessenen Spannungen durch Temperaturdrift und andere Einflußfaktoren zu bestimmen.
Diese Messung erfolgt unter jeweiliger entsprechender Umschaltung der Eingänge 20, 21, 22 und 33 des Multiplexers 19 auf die Eingänge 160, 161 des Instrumentenverstärkers 16. Am Ausgang 171 des nachfolgend angeordneten Analog-Digital-Umsetzers 17 werden den Spannungen U 1, U 2, U 3, U 0 entsprechende Digitalwert D 1, D 2, D 3, D 0 geliefert.
Der Widerstandswert Rsens des Sensorwiderstandes 12 läßt sich durch Aufstellung von Maschengleichungen bestimmen. Für den Widerstandswert Rsens ergibt sich daraus:
In der Recheneinrichtung 180 wird der Widerstands­ wert Rsens des Sensorwiderstandes 12 unter entsprechender Berücksichtigung der Abweichungen, hervorgerufen beispielsweise durch die Temperaturdrift im Instrumenten­ verstärker 16 und im Analog-Digital-Wandler 10, berechnet, d. h. durch entsprechende Berücksichtigung des bei Null­ potential ermittelten Digitalwertes D 0 berechnet. Ein Digitalwert Dn entspricht also der Gleichung
Dn = V Un + D 0,
wobei V die Verstärkung des Instrumentenverstärkers 16 und des Analog-Digital-Umsetzers 17 ist. Hieraus ergibt sich dann:
wobei Rs der Widerstandswert des Bezugswiderstandes 18 ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung des Widerstandswertes Rsens eines Sensorwiderstandes, dessen erster Anschluß mit einer Stromquelle verbunden und über einen ersten Leiter mit einem Instrumentenverstärker verbindbar ist und dessen zweiter Anschluß über einen zweiten Leiter mit dem Instrumentenverstärker koppelbar und mit einem dritten Leiter gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) eine Spannung U 1 zwischen dem ersten und zweiten Leiter ermittelt wird,
  • b) eine Spannung U 2 zwischen dem zweiten und dem eben­ falls mit dem Instrumentenverstärker verbindbaren dritten Leiter ermittelt wird und
  • c) eine Spannung U 3 über einen zwischen dem dritten Leiter und Nullpotential liegenden Bezugswider­ stand Rs zur Bestimmung des durch die Leiter fließenden Stromes erfaßt wird, worauf
  • d) der Widerstandswert Rsens des Sensorwiderstandes an Hand der Gleichung berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge des Instrumenten­ verstärkers auf Nullpotential gelegt werden und daß nachfolgend die gemessenen Spannungen in einem dem Instrumentenverstärker nachgeschalteten Analog-Digital- Umsetzer in entsprechende Digitalwerte umgesetzt werden, worauf der Widerstandswert Rsens aus der Gleichung ermittelt wird, wobei Dn, n=1, 2, 3, die Digitalwerte der Spannungen Un, n=1, 2, 3, und D 0 der Digitalwert bei Nullpotential am Eingang des Instrumentenverstärkers ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Wider­ standswertes Rsens des Sensorwiderstandes über eine Recheneinrichtung erfolgt.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten und einem zweiten Leiter (13, 14) der Sensorwiderstand (12) angeordnet ist, wobei der erste Leiter (13) mit einer Stromquelle (11) verbunden ist und ein dritter Leiter (15), der mit dem stromquellenfreien Anschluß (26) des Sensorwiderstandes (12) gekoppelt ist, über einen Bezugswiderstand (18) mit Nullpotential verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei vom Sensorwider­ stand (12) wegführenden Leitungen (13, 14, 15) mit den Eingängen (20, 21, 22) eines Multiplexers (19) verbunden sind, deren Ausgänge (23, 24) mit dem Instrumenten­ verstärker (16) verbunden sind und daß ein weiterer Eingang (33) des Multiplexers (19) auf Nullpotential liegt.
6. Schaltungsanordnung nach Schaltung 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexereingänge (20, 21, 22, 33) zur Weitergabe der Spannungen U 1, U 2, U 3 und U 0 an den Instrumentenverstärker (16) in vorbestimmter Reihenfolge auf die Eingänge (160, 161) dieses Instrumentenverstärkers (16) schaltbar sind.
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