DE3634052C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine solche Schaltungsanordnung und ein entsprechendes Meßverfahren 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 Stromquelle mit dem einen Anschluß eines Referenzwiderstandes verbunden. Der andere Anschluß des Sensorwiderstandes und der andere Anschluß des Referenzwiderstandes sind mit Nullpotential verbunden. Der Ausgang des Instrumentenverstärkers ist mit dem Eingang eines nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzers, der an seinem Ausgang digitale Signale für eine Anzeige oder für eine Reglereinheit liefert, verbunden. Hierbei ist nachteilig, 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. Die bekannte Schaltungsanordnung sowie das Meßverfahren 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.

Aus der DE-OS 31 01 994 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung eines elektrischen Widerstandes bekannt. In dieser Anordnung sind drei Schalter mit jeweils zwei Schließkontakten vorhanden. Der erste Schließkontakt des ersten Schalters verbindet eine Stromquelle mit einem an Masse angeschlossenen Hilfswiderstand. Der andere Schließkontakt ist mit einem Analog-Digital-Umsetzer gekoppelt. Der zweite Schalter verbindet die Stromquelle, den Analog-Digital-Umsetzer und einen Referenzwiderstand. Der Referenzwiderstand ist an den massefreien Anschluß des Hilfswiderstandes angeschlossen. Der dritte Schalter verbindet den zu messenden Widerstand, der ebenfalls an den Hilfswiderstand angeschlossen ist, mit der Stromquelle und dem Analog-Digital-Umsetzer. Von den drei Schaltern, die nacheinander betätigt werden, ist jeweils nur einer geschlossen. Ein dem Analog-Digital-Umsetzer nachgeschalteter Rechner berechnet aus den drei gemessenen Spannungen am Analog-Digital-Umsetzer den Widerstandswert des zu messenden Widerstandes. Die Meßwerte enthalten keine temperaturabhängigen Fehler. Mit dieser Schaltungsanordnung ist es allerdings nicht möglich, den Widerstandswert eines Sensorwiderstandes zu messen, der unter Verwendung der Dreileitertechnik an die Schalter angeschlossen wird. Ferner kann mit dieser Meßeinrichtung keine Kompensation von Leitungswiderständen durchgeführt werden.

Aus der DE-OS 24 47 629 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung eines Meßwiderstandes bekannt, der zwischen einem ersten und zweiten Leiter angeordnet ist. Der erste Leiter führt auf einen ersten Eingang eines Instrumentenverstärkers und auf einen ersten Anschluß einer Stromquelle. Der zweite Eingang des Instrumentenverstärkers ist mit dem zweiten Leiter verbunden. Ein dritter Leiter verbindet den zweiten Anschluß der Stromquelle mit dem zu messenden Sensorwiderstand und dem zweiten Leiter. Die Spannungen am ersten Eingang des Instrumentenverstärkers werden invertiert, und die Spannungen am zweiten Eingang verdoppelt. Daraus ergibt sich bei Verwendung eines mittels einer Dreileitertechnik an den Instrumentenverstärker angeschlossenen Sensorwiderstandes eine Kompensation der Leitungswiderstände. Die Meßspannung am Ausgang des Instrumentenverstärkers ist aber nicht unabhängig von Verstärkungsfehlern und Offset-Fehlern des Instrumentenverstärkers. Temperaturabhängige Fehler können auch nicht kompensiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes eines Sensorwiderstandes zu schaffen, die Widerstandswerte liefert, die unabhängig von Leitungswiderständen, von Verstärkungsfehlern und Temperatureinflüssen sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs gelöst.

Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung liegt u. a. darin, daß die Bestimmung des Widerstandswertes Rsens des Sensorwiderstandes 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 gleichzeitig ermittelt werden. Der Leitungswiderstand wird durch die Messung der Spannung U 2 bestimmt. Die Eingänge des Instrumentenverstärkers werden auf Nullpotential gelegt und nachfolgend die gemessenen Spannungen in einem dem Instrumentenverstärker nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzer in entsprechende 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 des Nullpotentials in beliebiger Reihenfolge für eine Messung erfaßt werden können.

Hierbei geht die Temperaturdrift des Instrumentenverstärkers 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 nur geringen Anforderungen in bezug auf das Temperaturverhalten zu genügen.

Die Berechnung des Widerstandswertes Rsens des Sensorwiderstands erfolgt über eine nachgeschaltete Recheneinrichtung, die beispielsweise ein Microcomputer sein kann und die am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers liegt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist zwischen einem ersten und einem zweiten Leiter der Sensorwiderstand angeordnet, wobei der erste Leiter mit einer Stromquelle und ein dritter Leiter über einen Bezugswiderstand mit Nullpotential verbunden und mit dem stromquellenfreien Anschluß des Sensorwiderstandes gekoppelt ist.

Ein weiterer 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 temperaturdriftarm ausgelegt werden, da die Messung schnell durchgeführt wird und somit die Messung weitgehend temperaturunabhängig ist. Lediglich der Bezugswiderstand muß hinreichend temperaturdriftarm sein.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung 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 der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung zur Durchführung eines bekannten Meßverfahrens unter Verwendung zweier Stromquellen, und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, welche ein Meßverfahren mit nur einer Stromquelle gestattet.

Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Messung von Widerständen ist in Fig. 1 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung 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 einerseits 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 verbindenden 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 Stromquellen auf Gleichheit abgeglichen werden müssen, damit die Messung unabhängig von den Leitungswiderständen wird. Darüber hinaus müssen Abgleichsarbeiten aufgrund der Abweichung von den gewünschten Werten des Instrumentenverstärkers 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 Schaltungsanordnung in Geräten der niedrigen Preisklassen nicht einsetzbar sind.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes eines Sensorwiderstandes 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 vorhanden 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 Multiplexereingang 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 Sensorwiderstandes 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 kurzgeschlossenen 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 Digitalwerte 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 Widerstandswert Rsens des Sensorwiderstandes 12 unter entsprechender Berücksichtigung der Abweichungen, hervorgerufen beispielsweise durch die Temperaturdrift im Instrumentenverstärker 16 und im Analog-Digital-Wandler 10, berechnet, d. h. durch entsprechende Berücksichtigung des bei Nullpotential 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 (1)

1. Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes Rsens eines Sensorwiderstandes (12), dessen erster Anschluß (25) mit einer Stromquelle (11) verbunden und über einen ersten Leiter (13) mit einem Instrumentenverstärker (16) verbindbar ist und dessen zweiter Anschluß (26) über einen zweiten Leiter (14) mit dem Instrumentenverstärker (16) koppelbar und mit einem dritten Leiter (15) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   • a) der dritte Leiter (15) mit einem an Nullpotential liegenden Bezugswiderstand (18) verbunden ist;
   • b) dem Instrumentenverstärker (16) ein Analog-Digital-Umsetzer (17) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang (171) mit einer Recheneinrichtung (180) gekoppelt ist;
   • c) die drei vom Sensorwiderstand (12) wegführenden Leitungen (13, 14, 15) mit den Eingängen (20, 21, 22) eines Multiplexers (19) verbunden sind, deren Ausgänge (23, 24) mit dem Instrumentenverstärker (16) gekoppelt sind;
   • d) ein weiterer Eingang (33) des Multiplexers (19) auf Nullpotential liegt;
   • e) ein Multiplexer (19) zur Ermittlung des Widerstandswertes Rsens des Sensorwiderstandes (12) vorhanden ist, welcher
     • - eine Spannung U 1 zwischen dem ersten und zweiten Leiter (13, 14),
     • - eine Spannung U 2 zwischen dem zweiten und dritten Leiter (14, 15) und
     • - eine Spannung U 3 am Bezugswiderstand (18) sowie das
     • - Nullpotential am weiteren Eingang (33)
   • an den Instrumentenverstärker (16) weitergeben kann;
   • f) in der Recheneinrichtung (180) aus den vom Multiplexer (19) weitergegebenen Spannungen und den im Analog-Digital-Umsetzer (17) daraus erzeugten Digitalwerten der Widerstandswert Rsens des Sensorwiderstandes (12) gemäß der Gleichung berechnet wird, wobei Dn, n = 1, 2, 3, die Digitalwerte der Spannungen Un, n = 1, 2, 3, D 0 der Digitalwert bei Nullpotential am Eingang des Instrumentenverstärkers (16) und Rs der Widerstandswert des Bezugswiderstandes (18) sind.