DE3634053C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Messung des Widerstandswertes Rsens 1 eines ersten
Sensorwiderstandes und des Widerstandswertes Rsens 2 eines
zweiten mit dem ersten in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes,
mit einer Stromquelle, die mit einem Instrumentenverstärker koppelbar ist und die über einen ersten Leiter mit einem ersten Leitungswiderstand an den ersten Anschluß des ersten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, und mit einem zweiten Leiter, der einen zweiten Leitungswiderstand aufweist und der an den zweiten Anschluß des ersten Sensorwiderstandes und den ersten Anschluß des zweiten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, dessen zweiter Anschluß über einen dritten Leiter, der einen dritten Leitungswiderstand aufweist, mit dem Instrumentenverstärker koppelbar ist, dem ein Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet ist.
mit einer Stromquelle, die mit einem Instrumentenverstärker koppelbar ist und die über einen ersten Leiter mit einem ersten Leitungswiderstand an den ersten Anschluß des ersten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, und mit einem zweiten Leiter, der einen zweiten Leitungswiderstand aufweist und der an den zweiten Anschluß des ersten Sensorwiderstandes und den ersten Anschluß des zweiten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, dessen zweiter Anschluß über einen dritten Leiter, der einen dritten Leitungswiderstand aufweist, mit dem Instrumentenverstärker koppelbar ist, dem ein Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet ist.
Eine solche Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes
eines ersten Sensorwiderstandes und des
Widerstandswertes eines zweiten mit dem ersten in Reihe
geschalteten Sensorwiderstandes ist aus der Serviceanweisung
der Philips-Industrieregler KS 4400 und KS 4450
bekannt. Eine solche Anordnung dient beispielsweise zur
Erfassung der Temperaturdifferenz zweier Flüssigkeiten.
Die am Meßort angebrachten Sensorwiderstände sind dabei
über drei Leiter, die eine beträchtliche Länge aufweisen
können, mit der Schaltung zur Meßauswertung verbunden. Bei
der bekannten Anordnung werden zwei Stromquellen benutzt,
die jeweils mit den Eingängen eines Instrumentenverstärkers
und jeweils mit zwei Leitern verbunden sind.
Der dritte Leiter ist einerseits an den gemeinsamen
Anschluß der Sensorwiderstände und andererseits an Nullpotential
angeschlossen. Eine solche Anordnung, bei der
die Sensorwiderstände über drei Leiter mit der Auswerteschaltung
verbunden sind, wird als Dreileiterschaltung
bezeichnet.
Die Sensorwiderstände werden z. B. in verschiedene Flüssigkeitsbehälter
eingebracht, um die Temperaturdifferenz der
Flüssigkeit zu bestimmen, indem die Widerstandswerte der
beiden Sensorwiderstände gemessen werden.
Nachteilig bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist,
daß zwei Stromquellen notwendig sind. Des weiteren sind
vor der Messung Abgleicharbeiten erforderlich, um
Abweichungen von den gewünschten Werten im Instrumentenverstärker
zu kompensieren (z. B. Verstärkungsfehler,
Offset). Außerdem geht in das Meßergebnis noch die
Temperaturdrift des Instrumentenverstärkers ein. Da es bei
vielen Meßvorgängen erforderlich ist, die ermittelten
Werte in einer Recheneinrichtung, beispielsweise in einem
Microcomputer, zu verarbeiten, wird bei der bekannten
Schaltungsanordnung ein Analog-Digital-Umsetzer hinter den
Instrumentenverstärker geschaltet. Dadurch geht zusätzlich
noch die Temperaturdrift des Analog-Digital-Umsetzers in
das Meßergebnis ein.
Die bekannte Schaltungsanordnung eignet 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.
Ferner ist aus der DE-AS 24 60 079 noch eine Schaltungsanordnung
zur Bestimmung der Stellung des Schleifers eines
Potentiometers bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung
werden zwei Spannungen am Potentiometer ermittelt, aus denen
die Stellung bestimmt wird.
Aus der DE 29 17 237 A 1 ist eine Widerstandswert-Fernabtastschaltung
bekannt, bei welcher der Widerstandswert eines
Sensorwiderstandes ermittelt wird. Der Widerstand ist über
zwei Leiter mit der Auswerteschaltung verbunden. Zur
Kompensation der Leitungswiderstände in den Leitern ist ein
weiterer Leiter vorgesehen, der zwischen einem Anschluß des
Sensorwiderstandes und einer Kompensationsschaltung angeschlossen
ist.
Bei der DE-AS 24 60 079 und der De 29 17 237 A1 werden nicht
die Widerstandswerte zweier Sensorwiderstände ermittelt.
Auch sind zur Vermeidung von Verstärkungsfehlern,
temperaturabhängigen Fehlern bzw. Offset-Fehlern Abgleicharbeiten
notwendig.
Des weiteren ist noch aus der DE 31 01 994 A1 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. Eine dem Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltete
Recheneinrichtung berechnet aus den drei
gemessenen Spannungen am Analog-Digital-Umsetzer den
Widerstandswert des zu messenden Widerstands. Die Meßwerte
enthalten keine temperaturabhängigen Fehler. Mit dieser
Schaltung ist es nicht möglich, die Widerstandswerte zweier
in Reihe geschalteter Sensorwiderstände zu messen. Außerdem
können die Widerstände nicht ohne weiteres mit Hilfe der
Dreileiterschaltung an die Schalter angeschlossen werden.
Erforderlich ist bei dieser Anordnung auch die Kenntnis des
Stromes, der von der Stromquelle geliefert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes eines
ersten Sensorwiderstandes und des Widerstandswertes eines
zweiten mit dem ersten in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes
zu schaffen, bei dem auf einfache Weise und ohne
Abgleicharbeiten die Sensorwiderstände bestimmt werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der dritte
Leiter mit einem an Nullpotential liegenden Bezugswiderstand
verbunden ist,
daß der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers mit einer Digitalrecheneinrichtung verbunden ist,
daß die drei von den Sensorwiderständen wegführenden Leitungen mit den drei Leitungswiderständen mit den Eingängen eines Multiplexers verbunden sind, dessen beide Ausgänge mit den zwei Eingängen des Instrumentenverstärkers verbunden sind,
daß ein weiterer Eingang des Multiplexers auf Nullpotential liegt,
daß der Multiplexer zur Ermittlung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände so geschaltet wird, daß
daß der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers mit einer Digitalrecheneinrichtung verbunden ist,
daß die drei von den Sensorwiderständen wegführenden Leitungen mit den drei Leitungswiderständen mit den Eingängen eines Multiplexers verbunden sind, dessen beide Ausgänge mit den zwei Eingängen des Instrumentenverstärkers verbunden sind,
daß ein weiterer Eingang des Multiplexers auf Nullpotential liegt,
daß der Multiplexer zur Ermittlung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände so geschaltet wird, daß
- - die über den ersten Leitungswiderstand, ersten Sensorwiderstand und den zweiten Leitungswiderstand abfallende Spannung U 1,
- - die über den zweiten Leitungswiderstand, den zweiten Sensorwiderstand und den dritten Leitungswiderstand abfallende Spannung U 2,
- - die am Bezugswiderstand abfallende Spannung U 3 und
- - Nullpotential am weiteren Eingang
an die beiden Eingänge des Instrumentenverstärkers angelegt
werden und
daß in der Digitalrecheneinrichtung aus den vom Multiplexer weitergegebenen Spannungen und in dem Analog-Digital- Umsetzer daraus erzeugten Digitalwerten die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände gemäß der Gleichungen
daß in der Digitalrecheneinrichtung aus den vom Multiplexer weitergegebenen Spannungen und in dem Analog-Digital- Umsetzer daraus erzeugten Digitalwerten die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände gemäß der Gleichungen
berechnet werden, wobei D 1, D 2 und D 3 die Digitalwerte der
Spannungen U 1, U 2 und U 3 sind und D 0 der Digitalwert bei
Nullpotential am Eingang des Instrumentenverstärkers, Rs der
Widerstandswert des Bezugswiderstandes und RL der Leitungswiderstandswert
jedes Leiters ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfolgt die
Bestimmung der Widerstandswerte der Sensorwiderstände, die
über drei Leiter mit weiteren Schaltelementen verbunden
sind, auf einfache Weise. Es werden nämlich die Spannungen
zwischen den Leitern, die Spannung am Bezugswiderstand und
des Nullpotentials bestimmt. Die Spannungen werden hierbei
zeitlich aufeinanderfolgend ermittelt. Der Strom, der durch
die Leiter fließt, wird durch Messung der Spannung am
Bezugswiderstand ermittelt. Mit Hilfe der Messung des Nullpotentials
wird bewirkt, daß Verstärkungsfehler, temperaturabhängige
Fehler und Offset-Fehler nicht in die Messung
eingehen. Daher entfallen die bisher üblichen Abgleicharbeiten
für den Instrumentenverstärker.
Die Sensorwiderstände werden beispielsweise zur Temperaturdifferenzmessung
benutzt, d. h. bei einer Temperaturänderung
ergibt sich eine feststellbare Widerstandsänderung. Die
einzelnen Spannungen und Nullpotential können in beliebiger
Reihenfolge an den Eingang des Instrumentenverstärkers
gelegt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird lediglich
eine Stromquelle verwendet. 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.
Der zur Weitergabe der Spannungen U 1, U 2 und U 3 und des
Nullpotentials vorgesehene Multiplexer gestattet es also,
daß die einzelnen Leiter auf vorbestimmte Weise auf die
Eingänge des Instrumentenverstärkers gegeben werden. Der dem
Instrumentenverstärker nachgeschaltete Analog-Digital-
Umsetzer setzt das analoge Meßergebnis in einen digitalen
Wert um, der in der nachgeschalteten Digitalrecheneinrichtung
gespeichert wird, bis die Widerstandswerte der
Sensorwiderstände berechnet sind. Um ein genaues Meßergebnis
zu erreichen, wird an die Multiplexerschalter lediglich die
Anforderung gestellt, daß diese sich bezüglich der
Temperaturdrift möglichst gleich verhalten.
Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr
anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung mit zwei Stromquellen
und
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Messung der
Widerstandswerte zweier Sensorwiderstände.
Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Messung der
Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 zweier Sensorwiderstände
1 und 2 ist in Fig. 1 dargestellt. Diese
Schaltungsanordnung umfaßt zwei Stromquellen 4 und 5, die
jeweils mit einem der Eingänge 6 und 7 eines Instrumentenverstärkers
8 verbunden sind, dessen Ausgang 9 an einen
Analog-Digital-Umsetzer 10 angeschlossen ist. Der Analog-
Digital-Umsetzer 10 liefert Digitalwerte beispielsweise an
eine Anzeigeeinrichtung. Darüber hinaus ist die Stromquelle
4 an einen Anschluß 11 des Sensorwiderstandes 1 und
die Stromquelle 5 an einen Anschluß 12 des Sensorwiderstandes
2 angeschlossen. Der Verbindungspunkt
zwischen den beiden Sensorwiderständen 1 und 2 bzw. der
gemeinsame Anschluß 13 ist mit Nullpotential verbunden.
Sowohl die beiden von den Stromquellen 4 und 5 kommenden
Leiter als auch der den gemeinsamen Anschluß 13 mit Nullpotential
verbindende Leiter besitzen (naturgemäß) einen
Leitungswiderstand 14, 15 und 16 mit einem Widerstandswert
RL.
Diese bekannte Schaltungsanordnung wird z. B. zur
Temperaturdifferenzmessung benutzt. Sie erfordert zwei
Stromquellen, die auf Gleichheit abgeglichen werden
müssen. Darüber hinaus müssen Abgleicharbeiten aufgrund
der Abweichungen von den gewünschten Werten (z. B.
Verstärkungsfehler, Offset) des Instrumentenverstärkers 8
durchgeführt werden. Ebenfalls müssen hohe Anforderungen
in bezug auf die Temperaturdrift des Instrumentenverstärkers
8 sowie an die Temperaturdrift des nachgeschalteten
Analog-Digital-Umsetzers 10 gestellt werden,
was zu teuren Geräten führt.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Messung der
Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der beiden Sensorwiderstände
1 und 2 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese
Schaltungsanordnung weist lediglich eine Stromquelle 20
auf, die mit einem ersten Leiter 21 verbunden ist. Der
erste Leiter 21 ist über den Anschluß 11 an den Sensorwiderstand
1 angeschlossen. Dieser Leiter 21 besitzt
naturgemäß einen Leitungswiderstand, der hier durch den
Widerstand 22 angedeutet wird. Darüber hinaus ist die
Stromquelle 20 mit einem Eingang 23 eines Multiplexers 24
verbunden. Ein zweiter Leiter 25 ist einerseits mit dem
gemeinsamen Anschluß 13 der Sensorwiderstände 1 und 2
verbunden und andererseits mit einem zweiten Eingang 26
des Multiplexers 24. Ein dritter Leiter 27 ist einerseits
an den Anschluß 12 des Sensorwiderstandes 2 und
andererseits zum einen über einen Bezugswiderstand 28 an
Nullpotential und zum anderen an einen dritten Eingang 29
des Multiplexers 24 angeschlossen. Ein vierter, mit Nullpotential
verbundener Leiter 30 ist auf einen vierten
Multiplexereingang 31 gelegt. Auch die zweiten und dritten
Leiter 25 und 27 besitzen naturgemäß Leitungswiderstände,
die mit 32 und 33 bezeichnet sind.
Die beiden Ausgänge 35 und 36 des Multiplexers 24 sind an
die Eingänge 6 und 7 eines Instrumentenverstärkers 8
gelegt. Der Ausgang 9 des Instrumentenverstärkers 8 ist an
einen Analog-Digital-Umsetzer 10 angeschlossen, dessen
Ausgang 37 mit einer Anzeige- und Digitalrecheneinrichtung
38 verbunden ist.
Zur Bestimmung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der
Sensorwiderstände 1 und 2 werden vier Verfahrensschritte
durchgeführt. Zunächst wird eine Spannung U 1 zwischen den
Leitern 21 und 25 ermittelt. Dann wird eine Spannung U 2
zwischen den Leitern 25 und 27 gemessen und anschließend
wird eine Spannung U 3 am Bezugswiderstand 28 zur
Bestimmung des durch die Schaltungsanordnung fließenden
Stromes erfaßt.
Schließlich verbindet der Multiplexer 24 seinen
Eingang 31 mit seinen Ausgängen 35 und 36, so daß an den
Eingängen des Instrumentenverstärkers 8 Nullpotential
anliegt, und bei dieser Eingangsspannung U 0 ein
Digitalwert D 0 in der Recheneinrichtung 38 bestimmt. Die
Bestimmung der Ausgangsspannung des
Instrumentenverstärkers 8 bei kurzgeschlossenen Eingängen
dient dazu, die Abweichung der gemessenen Spannungen vom
gewünschten Wert durch Temperaturdrift und andere
Einflußfaktoren zu bestimmen.
Die Messung erfolgt unter jeweiliger entsprechender
Umschaltung der Eingänge 23, 26, 29 und 31 des
Multiplexers 24 auf die Eingänge 6 und 7 des Instrumentenverstärkers
8. Am Ausgang 37 des nachfolgend angeordneten
Analog-Digital-Umsetzers 10 werden den Spannungen U 1, U 2,
U 3 und U 0 entsprechende Digitalwerte D 1, D 2, D 3 und D 0
geliefert.
Die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der beiden Sensorwiderstände
1 und 2 lassen sich durch Aufstellung von
Maschengleichungen bestimmen. Für den Widerstandswert
Rsens 1 des Sensorwiderstandes 1 ergibt sich daraus:
Rsens 1 = U 1 Rs/U 3 - RL
und für den Widerstandswert Rsens 2 des Sensorwiderstandes 2
ergibt sich:
Rsens 2 = U 2 Rs/U 3 - RL,
wobei RL der Widerstandswert in einem der Leiter 21 oder
27 und Rs der Widerstandswert des Bezugswiderstandes 28
ist.
In der Digitalrecheneinrichtung 38 werden die Widerstandswerte
Rsens 1 und Rsens 2 unter entsprechender Berücksichtigung
der Abweichung vom gewünschten Wert, hervorgerufen
beispielsweise durch die Temperaturdrift im Instrumentenverstärker
8 und im Analog-Digital-Umsetzer 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 8 und
des Analog-Digital-Umsetzers 10 ist.
Mit Hilfe dieser letztgenannten Gleichung können die
Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 aus folgenden
Gleichungen ermittelt werden:
Bei der Bestimmung der Widerstandswerte werden also die
Leitungswiderstände berücksichtigt, die beispielsweise der
Digitalrecheneinrichtung 38 als bekannte Konstanten
eingegeben werden.
Claims (2)
- Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes Rsens 1 eines ersten Sensorwiderstandes (1) und des Widerstandswertes Rsens 2 eines zweiten mit dem ersten in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes (2),
mit einer Stromquelle (20), die mit einem Instrumentenverstärker (8) koppelbar ist und die über einen ersten Leiter (21) mit einem ersten Leitungswiderstand (22) an den ersten Anschluß (11) des ersten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, und
mit einem zweiten Leiter (25), der einen zweiten Leitungswiderstand (32) aufweist und der an den zweiten Anschluß (13) des ersten Sensorwiderstandes und den ersten Anschluß (13) des zweiten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, dessen zweiter Anschluß (12) über einen dritten Leiter (27), der einen dritten Leitungswiderstand (33) aufweist, mit dem Instrumentenverstärker (8) koppelbar ist, dem ein Analog-Digital-Umsetzer (10) nachgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leiter (27) mit einem an Nullpotential liegenden Bezugswiderstand (28) verbunden ist,
daß der Ausgang (37) des Analog-Digital-Umsetzers (10) mit einer Digitalrecheneinrichtung (38) verbunden ist,
daß die drei von den Sensorwiderständen (1, 2) wegführenden Leitungen (21, 25, 27) mit den drei Leitungswiderständen (22, 32, 33) mit den Eingängen (23, 26, 29) eines Multiplexers (24) verbunden sind, dessen beide Ausgänge (35, 36) mit den zwei Eingängen (6, 7) des Instrumentenverstärkers (8) verbunden sind,
daß ein weiterer Eingang (31) des Multiplexers (24) auf Nullpotential liegt,
daß der Multiplexer (24) zur Ermittlung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände (1, 2) so geschaltet wird, daß- - die über den ersten Leitungswiderstand (22), ersten Sensorwiderstand (1) und den zweiten Leitungswiderstand (32) abfallende Spannung U 1,
- - die über den zweiten Leitungswiderstand (32), den zweiten Sensorwiderstand (2) und den dritten Leitungswiderstand (32) abfallende Spannung U 2,
- - die am Bezugswiderstand (28) abfallende Spannung U 3 und
- - Nullpotential am weiteren Eingang (31)
- an die beiden Eingänge des Instrumentenverstärkers (8) angelegt werden und
daß in der Digitalrecheneinrichtung (38) aus den vom Multiplexer (24) weitergegebenen Spannungen und in dem Analog-Digital-Umsetzer (10) daraus erzeugten Digitalwerten die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände (1, 2) gemäß der Gleichungen berechnet werden, wobei D 1, D 2 und D 3 die Digitalwerte der Spannungen U 1, U 2 und U 3 sind und D 0 der Digitalwert bei Nullpotential am Eingang des Instrumentenverstärkers (8), Rs der Widerstandswert des Bezugswiderstandes (28) und RL der Leitungswiderstandswert jedes Leiters (21, 25, 27) ist.
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DE3634053C2 true DE3634053C2 (de) | 1989-01-26 |
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ID=6311182
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