DE3879211T2

DE3879211T2 - Temperaturkompensationsschaltung.

Info

Publication number: DE3879211T2
Application number: DE8888118442T
Authority: DE
Inventors: Ichiro Asano; Satoshi Inoue; Nobutaka Kihara
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1988-11-04
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2008-11-05
Also published as: EP0366831A1; DE3879211D1; EP0366831B1; ATE86753T1; US4939395A

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturkompensationsschaltung zur Temperaturkompensation eines Erfassungssignals (gemessene Signalspannung) bei verschiedenen Arten von Analysatoren, z. B. bei einem Gasanalysator.
Z. B. weist, wie dies in den Fig. 5(A) und (B) dargestellt ist, eine bekannte Sauerstoffmeßeinrichtung mehrere Anzeigefunktionen auf, etwa die Anzeige gelösten Sauerstoffs als Partialdruckverhältnis, und die Anzeige gelösten Sauerstoffs (DO) als Konzentration, zusätzlich zur Anzeige der erfaßten Temperatur. Es ist jedoch erforderlich, das Meßsignal individuellen Temperaturkompensationsbehandlungen für die jeweiligen Anzeigen zu unterziehen. Andere bekannte Gasanalysatoren sind ebenfalls dazu in der Lage, die Konzentrationen mehrerer Arten von Gasen zu analysieren. Auch bei diesen Geräten ist es erforderlich, die erfaßten Signale für die Konzentrationen der jeweiligen Gase einer individuellen Temperaturkompensationsbehandlung zu unterziehen.
Die herkömmliche Temperaturkompensationsschaltung bei solchen Geräten weist ein temperaturempfindliches (Widerstands-)Element RT im Rückkopplungsschaltungsabschnitt eines Operationsverstärkers- a, in den eine Meßsignalspannung V eingespeist wird, oder in einem Eingangsschaltungsabschnitt dieses Operationsverstärkers a auf, wobei ein beliebiger Abschnitt abhängig von der Polarität der Temperaturcharakteristik der Meßsignalspannung ausgewählt wird, um die Verstärkung des Operationsverstärkers a abhängig von der Temperatur zu verändern. Das Ergebnis ist eine temperaturkompensierte Meßsignalspannung V&sub0;.
Jedoch haben die oben beschriebenen herkömmlichen Temperaturkompensationsschaltungen die folgenden verschiedenen Nachteile gezeigt:
(i) Da ein Satz eines Operationsverstärkers a und eines temperaturempfindlichen (Widerstands-)Elements rT für jede Meßsignalspannung V erforderlich ist, ist, wenn die Temperaturkompensationsschaltung zum Ausführen der Temperaturkompensation für jeweilige mehrere Meßsignalspannungen in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, die Anzahl von Teilen für eine derartige Schaltung deutlich erhöht. Darüber hinaus sind nicht nur die Herstellkosten erhöht, sondern es ist auch der Aufbau kompliziert und es liegen große Abmessungen vor.
(ii) Da komplizierte Berechnungen erforderlich sind, um die Charakteristik des temperaturempfindlichen (Widerstands-)Elements rT und die Widerstandswerte anderer Widerstände ra, rb, rc abhängig von der Temperaturcharakteristik der Meßsignalspannung V zu bestimmen, insbesondere dann, wenn die Temperaturkompensationsschaltung zum Ausführen der Temperaturkompensation für jeweils mehrere Meßsignalspannungen verwendet wird, ist der Entwurf dieser Schaltung sehr schwierig, wenn sie auf die oben beschriebene Weise aufgebaut ist.
(iii) Da die Schaltungsaufbauten strukturmäßig ziemlich verschieden sind, wie dies in den Fig. 5(A), (B) dargestellt ist und selektiv abhängig von der Polarität der Temperaturcharakteristik der Meßsignalspannung V ausgebildet werden müssen, ist der Entwurf dieser Schaltung noch schwieriger, wenn eine Temperaturkompensationsschaltung zum Kompensieren mehrerer Meßsignalspannungen V mit verschiedener Polarität der Temperaturcharakteristik aufgebaut wird.
(iv) Da der Operationsverstärker a ein unentbehrliches Bauelement der Schaltung ist und er selbst Fehler (Temperaturdrift und dergleichen) aufgrund des Einflusses der Umgebungstemperatur erzeugen kann, weist die Temperaturkompensation nicht die gewünschte Genauigkeit auf.
Daher wurde eine Temperaturkompensationsschaltung entwikkelt, die dazu in der Lage ist, eine Kombination für jeweilige mehrere Meßsignalspannungen durch nur ein temperaturempfindliches Element und unter Verwendung eines erfaßten Temperatursignals auszuführen, das durch das eine temperaturempfindliche Element erhalten wird. Diese Temperaturkompensationsschaltung wurde in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 57-44869 (Japanische Patentoffenlegung Nr. Sho 58-160859), der Japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. Sho 60-146072 (Japanische Gebrauchsmusteroffenlegung Nr. Sho 62-53356) und dergleichen vorgeschlagen.
Jedoch weist diese verbesserte Temperaturkompensationsschaltung noch die folgenden Schwierigkeiten auf:
Wenn die Temperaturkompensationsschaltung zum Ausführen einer Temperaturkompensation für jeweilige mehrere Meßsignalspannungen ausgebildet ist wird, wobei nur ein temperaturempfindliches (Widerstands-)Element ausreichend ist, jedoch ein vergleichsweise teurer Operationsverstärker für jeweilige mehrere Meßsignalspannungen erforderlich ist, werden nicht nur die Verringerung der Herstellkosten und die Vereinfachung und Miniaturisierung beim Aufbau nicht ausreichend erzielt, sondern es sind noch immer nicht die Nachteile (ii), (iii) ausgeschlossen, die der Temperaturkompensationsschaltung mit dem oben beschriebenen herkömmlichen Aufbau innewohnen.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Temperaturkompensationsschaltung zu entwickeln und anzugeben, die dazu in der Lage ist, die Anzahl von Bauteilen zu verringern, den Aufbau zu vereinfachen und billig zu miniaturisieren, die Schwierigkeiten beim Entwurf wegen der Temperaturcharakteristik der Meßsignalspannung deutlich zu verringern, und eine Temperaturkompensation mit deutlich höherer Genauigkeit auszuführen.
Um die oben angegebene Aufgabe zu lösen, gibt die Erfindung eine Temperaturkompensationsschaltung an mit:
- einem Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt, der so ausgebildet ist, daß er ein Pulsbreitensignal bildet, durch das ein Tastverhältnis, das das zeitliche Verhältnis einer Periodendauer eines Signals mit hohem Pegel zur Wiederholperiode von Impulsen ist, abhängig von der von einem temperaturempfindlichen Element erfaßten Temperatur verändert wird; und
- mindestens einem Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt, der so ausgebildet ist, daß er eine von einem Eingangsanschluß zugeführte Meßsignalspannung einer Temperaturkompensationsbehandlung auf Grundlage des genannten Tastverhältnisses unterzieht und dann die temperaturkompensierte Meßsignalspannung einem Ausgangsanschluß zuführt; dadurch gekennzeichnet, daß
- der Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt eine Spannungsteilereinrichtung zum Unterteilen der über den Eingangsanschluß zugeführten Meßsignalspannung in ein Signal hoher Spannung und ein Signal niedriger Spannung und
- eine Umschalteinrichtung aufweist, zum abwechselnden Ausgeben der von der Spannungsteilereinrichtung zugeführten Signale großer und kleiner Spannung an den Ausgangsanschluß, auf einen HOCH/NIEDRIG-Wechsel des Impulsbreitensignals hin, wie es vom Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt zugeführt wird.
So weist der charakteristische Aufbau den folgenden Betrieb auf:
Die Temperaturkompensationsschaltung gemäß der oben beschriebenen Erfindung weist, wie dies auch aus der Beschreibung der später beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele noch deutlicher wird, verschiedene Arten von Vorteilen auf.
(I) Selbst dann, wenn die Temperaturkompensationsschaltung so ausgebildet wird, daß sie eine Temperaturkompensation für jeweils mehrere Meßsignalspannungen VNI (N = 1, 2, ...) ausführt, ist die Schaltung vereinfacht und verbessert, da jeder der mehreren Temperaturkompensationsschaltungsabschnitte YN (N = 1, 2, ...) einzeln ausgebildet ist, wobei die jeweilige Meßsignalspannung VNI so ausgebildet ist, daß sie ein Impulsbreitensignal Vp verwendet, das nur durch einen Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X gebildet wird, und der jeweilige Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt YN ist aufbaumäßig dahingehend vereinfacht, daß kein Operationsverstärker erforderlich ist. Die Verwendung nur eines Satzes des Operationsverstärkers und des temperaturempfindlichen Elements RT, der verhältnismäßig teuer ist, im Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X ist für die gesamte Temperaturkompensationsschaltung ausreichend. Demgemäß können eine erhebliche Verringerung der Anzahl von Teilen und dadurch eine Vereinfachung und Miniaturisierung wie auch eine Verringerung der Herstellkosten erreicht werden.
(II) In den jeweiligen Temperaturkompensationsschaltungsabschnitten YN wird die Meßsignalspannung VNI durch die Spannungsteilereinrichtung CN in das Signal mit großer und mit kleiner Spannung VNB, VNS (VNB > VNS) unterteilt, die sehr einfach und billig lediglich durch Verwendung mehrerer (mindestens zweier) Widerstände gebildet werden kann, die im wesentlichen in Reihe geschaltet sind. Das Signal mit großer und mit kleiner Spannung VNB, VNS werden abwechselnd über den Ausgangsanschluß 0N auf den HOCH/NIEDRIG-Wechsel des Impulsbreitensignals Vp ausgegeben, wie es vom Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X durch die Umschalteinrichtung DN geliefert wird. Auch diese Umschalteinrichtung DN kann unter Verwendung eines relativ einfachen und billigen Umschaltelements aufgebaut werden. Auf diese Weise wid ein gewichteter Mittelwert der Signale großer und kleiner Spannung (VNB, VNS), die abhängig vom Tastverhältnis D(T) des Impulsbreitensignals Vp ausgegeben werden, am Ausgangsanschluß 0N als Temperaturkompensierte Meßsignalspannung VNO ausgegeben. Daher erfordern bei der Erfindung die jeweiligen Temperaturkompensationsschaltungsabschnitte YN nicht nur nicht die Verwendung des Operationsverstärkers, der nur teuer sein kann und den Schaltungsaufbau deutlich verkompliziert, wie im Fall der herkömmlichen Temperaturkompensationsschaltungen, sondern es kann auch das temperaturempfindliche Element, d.h., daß der jeweilige Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt YN sehr einfach und billig aufgebaut sein. Auch die Berechnungen (Entwurf) zum Bestimmen der Werte der Widerstände, die abhängig von der Temperaturcharakteristik der den jeweiligen Temperaturkompensationsschaltungsabschnitten YN zugeführten Meßsignalspannungen VNI verwendet werden, können sehr einfach ausgeführt werden.
(III) Selbst wenn die Temperaturcharakteristiken der Meßsignalspannungen VNI verschiedene Polaritäten aufweisen, erfordert der Aufbau der Schaltung insgesamt keine bemerkenswerte Änderung. Eine sehr einfache Designänderung ist ausreichend, z.B. werden Umschalteinrichtungen mit unterschiedlichen Umschaltcharakteristiken als Umschalteinrichtungen DN verwendet, um alternativ abhängig vom HOCH/NIEDRIG-Wechsel des Impulsbreitensignals Vp umzuschalten, wie es vom Temperaturpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X zugeführt wird. Oder es wird ein invertierendes Element im Verlauf einer Signalleitung angeordnet, die sich vom Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X zur Umschalteinrichtung DN erstreckt.
(IV) Da die jeweiligen Temperaturkompensationsschaltungsab- schnitte YN ohne Verwendung eines Operationsverstärkers aufgebaut werden können, der Fehler (Temperaturdrift und dergleichen) aufgrund des Einflusses der Umgebungstemperatur erzeugen könnte, wie oben beschrieben, kann die Genauigkeit der Temperaturkompensation im Vergleich zur herkömmlichen Schaltung deutlich verbessert werden.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Temperaturkompensationsschaltung werden unten stehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
Fig. 1 ist ein grundlegendes Schaltbild für eine erfindungsgemäße Temperaturkompensationsschaltung;
Fig. 2 ist ein vollständiges Schaltbild;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das einen Satz von Beispielen für Charakteristiken (Impulssignal) von Hauptteilen zeigt;
Fig. 4(A), (B) ist ein Schaltbild, das Modifizierungen der Hauptteile zeigt; und
Fig. 5(A), (B) ist ein Diagramm, das herkömmliche Temperaturkompensationsschaltungen zeigt, die dazu verwendet werden, den technischen Hintergrund der Erfindung und die Schwierigkeiten beim Stand der Technik zu beschreiben.
In Fig. 2, die den Gesamtaufbau der Schaltung zeigt, bezeichnet X einen Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt, der so ausgebildet ist, daß er ein Impulsbreitensignal Vp (dieses wird im einzelnen erläutert) mit einem Tastverhältnis D(T) abhängig von der von einem temperaturempfindlichen Element RT erfaßten Temperatur erzeugt. Y&sub1;, ... YN kennzeichnen Temperaturkompensationsschaltungsabschnitte, die mit dem Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X verbunden sind und so ausgebildetsind, daß sie die von einem Eingangsanschluß IN zugeführte Meßsignalspannung VNI einer Temperaturkompensationsbehandlung unterziehen und dann jeweils an einem Ausgangsanschluß ON eine kompensierte Meßsignalspannung VND ausgeben.
Dieser Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X weist einen eine der Temperatur entsprechende Spannung VT erzeugenden Temperaturmeßabschnitt 1 und einen Spannungsimpulsbreiten Wandler 2 auf, der das Impulsbreitensignal Vpausgibt. Dieses Impulsbreitensignal V pändert das Verhältnis D(T) (= t&sub1;/t&sub0;: Zeitverhältnis der Periodenbreite t&sub1; mit dem Signal HOCH zur Wiederholperiode der Impulse t&sub0;) proportional zur Spannung Vt, die der vom Temperaturmeßschaltungsabschnitt 1 gelieferten Temperatur entspricht. Dieser Temperaturmeßschaltungsabschnitt 1 weist einen Rückkopplungswiderstand RB, das temperaturempfindliche (Widerstands-)Element RT, wie einen Thermistor, einen Widerstand RC zum Verbessern der Linearität und dergleichen auf. Diese Widerstände sind im Rückkopplungsschaltungsabschnitt des Operationsverstärkers A angeordnet. Der nicht invertierende Eingangsanschluß dieses Operationsverstärkers A ist mit Masse verbunden und sein invertierender Eingangsanschluß ist mit einer Bezugsspannungsquelle E und einem Eingangswiderstand RA verbunden. Der Spannungsimpulsbreitenwandler 2 weist einen bekannten Aufbau mit einem Dreieckssignalgenerator 3 und einem Komparator 4 auf, dem ein vom Dreieckssignalgenerator 3 signalgeformter Dreiecksimpuls und die Spannung VT vom Temperaturmeßschaltungsabschnitt 1 zugeführt werden.
Der Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt YN (alle Temperaturkompensationsschaltungsabschnitte weisen denselben Aufbau auf, so daß lediglich der N-te Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt YN beschrieben wird) weist einen ersten Widerstand R1N, einen zweiten Widerstand R2N und einen dritten Widerstand R3N auf, die in Reihe geschaltet sind, damit die vom Eingangsanschluß IN bezogene Meßsignalspannung VN1 in ein Signal mit großer Spannung VNB und ein Signal mit kleiner Spannung VND (VNB> V NS) unterteilt und ausgegeben wird. Dieser Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt YN ist mit einer Spannungsteilereinrichtung CN versehen, die eine Signalausgangsleitung 5 und eine Signalausgangsleitung 6 aufweist, die sich jeweils zwischen dem ersten Widerstand R1N und dem zweiten Widerstand R2N bzw. zwischen dem zweiten Widerstand R2N und dem dritten Widerstand R3N entsprechen. Eine Umschalteinrichtung DN weist ein Umschaltelement wie einen Analogschalter auf, wodurch die Signale mit großer und kleiner Spannung VNB, VNSüber die Signalausgangsleitungen 5 und 6 von der Spannungsteilereinrichtung CN geliefert werden und alternativ dem Ausgangsanschluß ON abhängig vom HOCH/NIEDRIG-Wechsel des Impulsbreitensignals Vp zugeführt werden können. Das Impulsbreitensignal Vp wird vom Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X geliefert. Kurz gesagt, wird der gewichtete Mittelwert der Signale mit großer und kleiner Spannung VNB, VNS, die sich abhängig vom Tastverhältnis D(T) des Impulsbreitensignals Vp ändern, dem Ausgangsanschluß ON als Meßsignalspannung VNO zugeführt, die einer Temperaturkompensation unterzogen wurde. Zusätzlich kann die Schaltcharakteristik der Umschalteinrichtung DN geeignet abhängig von der Polarität der Meßsignalspannung VNI bestimmt werden. Wenn jedoch eine Umschalteinrichtung DN mit derselben Schaltcharakteristik unabhängig von der Polarität der Meßsignalspannugn VNI verwendet wird, kann ein invertierendes Element N in der Signalleitung angeordnet werden, die sich vom Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X zur Umschalteinrichtung DN erstreckt, falls erforderlich.
In der Temperaturkompensationsschaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau wird die Umschalteinrichtung DN so eingestellt, daß das Signal mit großer Spannung VNB an den Ausgangsanschluß ON gelegt wird, wenn das Impulsbreitensignal HOCH ist. Dagegen wird das Signal kleine Spannung VNS an den Ausgangsanschluß ON gelegt, wenn das Impulsbreitensignal Vp NIEDRIG ist. Der gewichtete Mittelwert VNO der Signale mit großer und kleiner Spannung VNB, VNS, wie er dem Anschluß ON zugeführt wird, wird durch die folgende Gleichung 1 gegeben:
Damit läßt sich die folgende Gleichung 2 aus der oben beschriebenen Gleichung 1 ableiten
Der Temperaturkoeffizient VNO/VNI des Temperaturkompensationsschaltungsabschnitts YN hängt vom Tastverhältnis D(T) des Impulsbreitensignals Vp (kurz gesagt von der Temperaturcharakteristik des Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitts X), von R3N/(R1N + R2N + R3N) sowie von R2N/R3N ab.
Andererseits wird, wenn die Umschalteinrichtung DN so eingestellt wird, daß sie eine dem oben beschriebenen Fall umgekehrte Umschaltcharakteristik aufweist, der gewichtete Mittelwert VNO der Signale mit großer und kleiner Spannung VNB, VNS, wie er dem Ausgangsanschluß ON zugeführt wird, durch die folgende Gleichung 1' wiedergegeben:
Der Temperaturkoeffizient VNO/VNI des Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt YN wird durch die folgende Gleichugn 3 wiedergegeben:
Der Temperaturkoeffizient VNO/VNI des Temperaturkompensationsschaltungsabschnitts YN hängt vom genannten Tastverhältnis D(T) des Impulsbreitensignals Vp, von (R2N + R3N)/(R1N + R2N + R3N) sowie von R2N/(R2N + R3N) ab.
Demgemäß besteht in jedem Fall eine klare Führung durch die oben beschriebene Gleichung 2 oder 3, und der erste Widerstand R1N, der zweite Widerstand R2N und der dritte Widerstand R3N in der Spannungsteilereinrichtung CN sind einfach in Reihe geschaltet, so daß die Entwurfsberechnungen zum geeigneten Bestimmen der jeweiligen Widerstandswerte des ersten Widerstands R1N, des zweiten Widerstands R2N und des dritten Widerstands R3N abhängig von der Temperaturcharakteristik der Meßsignalspannung VNI einfach ausgeführt werden können.
Wenn darüber hinaus der Widerstandswert des ersten Widerstandes R1N demjenigen des dritten Widerstandes R3N entspricht und der zweite Widerstand R2N ein variabler Widerstand ist, und wenn weiterhin der Temperaturimpulsbreiten- Umwandlungsschaltungsabschnitt X so eingestellt wird, daß das von ihm ausgegebene Tastverhältnis D(T) des Impulsbreitensignals Vp 0,5 betragen kann, wenn die Temperatur T der Bezugstemperatur T&sub0; (z.B. 20º C) entspricht, wie in Fig. 3 dargestellt, wird der Temperaturkoeffizient VNO/VNI des Temturkompensationsschaltungsabschnitts YN wie folgt ausgedrückt:
Wenn
D (T) = D ( T&sub0; ) + Δ D (T)
= 0 . 5 + Δ D (T)
in die Gleichung 3 eingesetzt wird, gilt die folgende Gleichung:
so daß dann, wenn
Δ D(T) = D(T) - 0,5
und R1N = R3N
in die obige sich ergebende Gleichung eingesetzt werden, die folgende Gleichung 4 erhalten wird:
Aus dieser Gleichung 4 ergibt sich, daß, da D(t) = 0,5 gilt, wenn die Temperatur T der Bezugstemperatur T&sub0; entspricht, der Wert VNO/VN1 konstant 1/2 unabhängig vom Widerstandswert des zweiten Widerstands R2N beträgt. Dadurch bleibt das Ausgangssignal VNO des Temperaturkompensationsschaltungsabschnitts YN auch dann unverändert, wenn der den zweiten Widerstand R2N bildende variable Widerstand auf einen beliebigen Wert eingestellt wird. Demgemäß tritt in diesem Fall der große Vorteil auf, daß der Temperaturkoeffizient des Tempeturkompensationsschaltungsabschnitts YN sehr einfach abhängig von der Temperaturcharakteristik einer individuellen Meßsignalspannung VNI einfach dadurch eingestellt werden kann, daß ein derartiger bemerkenswert einfacher Ablauf ausgeführt wird. Dieser Ablauf besteht darin, daß der einstellbare Widerstand (der zweite Widerstand R2N) so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal VNO des Temperaturkompensationsschaltungsabschnitts YN bei einer von der Bezugstemperatur T&sub0; verschiedenen Temperatur T (z.B. 40º C) denselben Wert aufweist, wie bei der Bezugstemperatur T&sub0;.
Darüber hinaus kann dann, wenn der zweite Vorteil nicht erzielt werden muß, der erste Widerstand R1N weggelassen werden. Vom Gesichtspunkt der noch weiteren Vereinfachung der Entwurfsberechnungen zum Bestimmen des erforderlichen Widerstandswertes ist es ziemlich erwünscht, den ersten Widerstand R1N wegzulassen.
Die Fig. 4(A), (B) zeigen Modifizierungen des Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungabschnitts X.
Bei der oben beschriebenen Fig. 2 weist der Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X eine sogenannte offene Schleife auf, bei der die der Temperatur entsprechende Spannung VT durch den Temperaturmeßschaltungsabschnitt 1 erzeugt wird. Die erzeugte Spannung VT wird dem Spannungsimpulsbreitenwandler 2 zugeführt, um ein Impulsbreitensignal Vp mit einem Tastverhältnis D(T) zu erhalten, das der Temperatur T entspricht, wie dargestellt. Der Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X gemäß diesen Modifizierungen weist den folgenden Regelschleifenaufbau auf.
Der in Fig. 4(A) dargestellte Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X weist eine Integrierschaltung auf, die eine erste Bezugsspannung V&sub1; mit einem ersten Widerstand Ri und einem zweiten Widerstand Rii teilt. Die geteilten Spannungen werden dem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers A und über einen dritten Widerstand Riii dessen invertierendem Eingangsanschluß zugeführt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers A wird seinem invertierenden Eingangsanschluß über einen Kondensator C zugeführt. Diese Schaltung ist ferner mit einem Spannungsimpulsbreitenwandler 2 versehen, der denselben Aufbau wie der obige aufweist und ein Impulsbreitensignal Vp mit einem Tastverhältnis D(T) bildet, das der Ausgangsspannung V der Integrierschaltung entspricht, und sie weist eine Umschalteinrichtung S auf. Die Umschalteinrichtung S ist ein Umschaltelement, wie ein Analogschalter, der einen Umschaltablauf durch das Impulsbreitensignal Vp ausführt. Das Impulsbreitensignal Vp wird dem Steuereingangsanschluß der Umschalteinrichtung S vom Spannungsimpulsbreitenwandler 2 zugeführt. Daher werden die durch Unterteilen der ersten Bezugsspannung V&sub1; durch die Spannungsteilerwiderstände R&sub1;, R&sub2; erhaltene Spannung V&sub1;' und eine zweite Bezugsspannung V&sub2; (beim bevorzugten Ausführungsbeispiel die Massespannung = 0) dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A abwechselnd über einen vierten Widerstand Riv zugeführt. Vom ersten bis vierten Widerstand Ri bis Riv wird einer (bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vierte Widerstand Riv) durch ein temperaturempfindliches (Widerstands-)Element RT, wie einen Thermistor gebildet. Darüber hinaus ist bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die zweite Umschalteinrichtung S so eingestellt, daß sie eine solche Umschaltcharakteristik aufweist, daß die Teilspannung V&sub1;' der ersten Bezugsspannung V&sub1; HOCH ist und mit dem temperaturempfindlichen (Widerstands-)Element RT verbunden ist, wenn die Impulsbreitensignalspannung Vp vom Spannungsimpulsbreitenwandler 2 rückgeführt wird. Dagegen ist die zweite Bezugsspannung V&sub2; (Massespannung = 0) an das temperaturempfindliche (Widerstands-)Element RT angeschlossen, wenn das Impulsbreitensignal Vp NIEDRIG ist.
Der Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X mit dem oben beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt:
Wenn die Temperatur T angestiegen ist, wodurch der Widerstandswert des temperaturempfindlichen (Widerstands-) Elements RT erhöht ist, wird der dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A zugeführte elektrische Strom erniedrigt. Dadurch wird die Ausgangsspannung V des Operationsverstärkers A in positiver Richtung erhöht, wodurch die HOCH-Periodenbreite t&sub1; des Impulsbreitensignals Vp, wie sie vom Spannungsimpulsbreitenwandler 2 gewonnen und rückgeführt wird, verlängert. Dadurch wird die dem temperaturempfindlichen (Widerstands-)Element RT von der Umschalteinrichtung S zugeführte mittlere Spannung erhöht, da die Anlegeperiode der Teilspannung V&sub1;' der ersten Bezugsspannung verlängert ist, während die Anlegeperiode der zweiten Bezugsspannung V&sub2; (Massespannung = 0) verkürzt ist. Demgemäß wird der dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A zugeführte elektrische Strom vergrößert, wodurch die Ausgangsspannung V dazu neigt, verringert zu werden. Infolgedessen weist der dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers A zugeführte elektrische Strom den Wert 0 auf, um einen stabilen Zustand einzustellen. Daher nehmen die Ausgangsspannung V des Operationsverstärkers A und das vom Spannungsimpulsbreitenwandler 2 ausgegebene Impulsbreitensignal Vp konstante Werte ein. Darüber hinaus wird dann, wenn die Temperatur T abgesenkt wird, wodurch der Widerstandswert des temperaturempfindlichen (Widerstands-)Elements RT verringert wird, ein stabiler Zustand durch einen Ablauf eingestellt, der dem oben beschriebenen entgegengesetzt ist.
In diesem stabilen Zustand gilt:
so daß die folgende Gleichung 5 gilt:
[wobei gilt: K = V&sub1;'/V&sub1; (Teilspannungsverhältnis konstant)]
Da die Widerstandswerte für Ri, Rii und Riii und das Teilspannungsverhältnis K (= V&sub1;'/V&sub1;) in dieser Gleichung 5 alle konstant sind, ist es offensichtlich, daß das Tastverhältnis D(T) des vom Spannungsimpulsbreitenwandler 2 zugeführten Impulsbreitensignals Vp proportional zu Riv ist. Kurz gesagt, ist das Tastverhältnis D(T) proportional zum Widerstandswert des temperaturempfindlichen (Widerstands-)Elements RT und so zur Temperatur T. Darüber hinaus wird, wie sich dies aus Gleichung 5 ergibt, bei einem Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X mit dem oben beschriebenen Aufbau dieses Tastverhältnis D(T) des Impulsbreitensignals Vp nicht durch nicht nur die erste Bezugsspannung V&sub1; selbst (einzeln), sondern auch durch die Eigenschaften des Spannungsimpulsbreitenwandlers 2 selbst nicht beeinflußt. Dadurch kann, selbst wenn die erste Bezugsspannung V&sub1; schwankt oder ein billiger Spannungsimpulsbreitenwandler 2 mit schlechter Linearität und Stabilität verwendet wird, eine Temperaturimpulsbreitenumwandlungsfunktion mit ausreichend hoher Genauigkeit durch den Kompensationsbetrieb des Operationsverstärkers A mit dem oben beschriebenen Rückkopplungsaufbau gewährleistet werden.
Fig. 4(B) zeigt den in der oben beschriebenen Fig. 4(A) dargestellten Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt X, bei dem die Spannungsteilerwiderstände R&sub1;, R&sub2; weggelassen sind. Die erste Bezugsspannung V&sub1; selbst wird der Umschalteinrichtung S zugeführt. Der dritte Widerstand Riii besteht aus dem temperaturempfindlichen (Widerstands-)Element RT und einem die Linearität verbessernden Widerstand Riii'. Andere Aufbauten und Betriebsabläufe sind im wesentlichen dieselben, wie sie in der obigen Fig. 4(A) dargestellt sind, weswegen die Beschreibung derselben dadurch weggelassen wird, daß Teile mit denselben Funktionen mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Wie es aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Temperaturkompensationsschaltung verschiedene Arten von Vorteilen auf. Selbst dann, wenn die Temperaturkompensationsschaltung so ausgebildet ist, daß sie eine Temperaturkompensation für jeweils mehrere Meßsignalspannungen ausführt, ist die Schaltung vereinfacht und verbessert, da jeder der mehreren Temperaturkompensationsschaltungsabschnitte, die einzeln mit den jeweiligen Meßsignalspannungen versehen werden, so ausgebildet ist, daß er ein Impulsbreitensignal verwendet, das nur durch den einen Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt gebildet wird, und die jeweiligen Temperaturkompensationsschaltungsabschnitte sind bemerkenswert einfach in ihrem Aufbau dahingehend, daß es nicht erforderlich ist, einen Operationsverstärker vorzusehen. Die Verwendung nur eines Satzes eines Operationsverstärkers und eines temperaturempfindlichen Elements, die vergleichsweise teuer sind, im Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt ist für die gesamte Temperaturkompensationsschaltung ausreichend.
Daher kann eine beträchtliche Verringerung der Anzahl von Teilen und dadurch eine Vereinfachung und Miniaturisierung wie auch eine Verringerung der Herstellkosten erzielt werden. Der Entwurf des Temperaturkompensationsschaltungsabschnitts abhängig von der Temperaturcharakteristik der jeweiligen Meßsignalspannungen und der Polarität derselben kann sehr einfach ausgeführt werden. Darüber hinaus können, da diese jeweiligen Temperaturkompensationsschaltungen keinen Operationsverstärker erfordern, der Fehler aufgrund eines Einflusses der Umgebungstemperatur erzeugen könnte, z.B. eine Temperaturdrift und dergleichen, die Genauigkeit der Temperaturkompensation deutlich im Vergleich zu der bei herkömmlichen Temperaturkompensationsschaltungen verbessert werden.
RT: Temperaturempfindliches Element; T: Temperatur; D(T): Tastverhältnis; t&sub0;: Wiederholperiode von Impulsen; t&sub1;: HOCH- Periodenbreite; t&sub2;: NIEDRIG-Periodenbreite; Vp: Impulsbreitensignal; X: Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt; IN: Eingangsanschluß; VNI: Meßsignalspannung; VNO: (Ausgangs-)Meßsignalspannung, die der Temperaturkompensationsbehandlung unterzogen wurde; ON: Ausgangsanschluß; YN: Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt; VNB: Signal mit großer Spannung; VS: Signal mit kleiner Spannung; CN: Spannungsteilereinrichtung; DN: Umschalteinrichtung.

Claims

1. Temperaturkompensationsschaltung mit:

- einem Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt (X), der so ausgebildet ist, daß er ein Pulsbreitensignal (Vp) bildet, durch das ein Tastverhältnis (D(T)), das das zeitliche Verhältnis einer Periodendauer (T&sub1;) eines Signals mit hohem Pegel zur Wiederholperiode von Impulsen (t&sub0;) ist, abhängig von der von einem temperaturempfindlichen Element (RT) erfaßten Temperatur verändert wird; und

- mindestens einem Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt (YN), der so ausgebildet ist, daß er eine von einem Eingangsanschluß (IN) zugeführte Meßsignalspannung (VNI) einer Temperaturkompensationsbehandlung auf Grundlage des genannten Tastverhältnisses (D(T)) unterzieht und dann die temperaturkompensierte Meßsignalspannung (VN0) einem Ausgangsanschluß (0N) zuführt; dadurch gekennzeichnet, daß

- der Temperaturkompensationsschaltungsabschnitt (YN) eine Spannungsteilereinrichtung (CN) zum Unterteilen der über den Eingangsanschluß (IN) zugeführten Meßsignalspannung (VNI) in ein Signal hoher Spannung (VNB) und ein Signal niedriger Spannung (VNS) und

- eine Umschalteinrichtung (DN) aufweist, zum abwechselnden Ausgeben der von der Spannungsteilereinrichtung (CN) zugeführten Signale großer und kleiner Spannung (VNB, VNS) an den Ausgangsanschluß (0N), auf einen HOCH/NIEDRIG-Wechsel des Impulsbreitensignals (Vp) hin, wie es vom Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt (X) zugeführt wird.

2. Temperaturkompensationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilereinrichtung (CN) mindestens zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R2N, R3N, ...) aufweist und daß einer der mindestens zwei Widerstände (R2N, R3N, ...) ein variabler Widerstand ist.

3. Temperaturkompensationsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilereinrichtung (CN) drei in Reihe geschaltete Widerstände (R1N, R2N, R3N) aufweist, wobei die Abgriffe für die Teilspannungen zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand (R1N, R2N) bzw. zwischen dem zweiten und dritten Widerstand (R2N, R3N) angeordnet sind.

4. Temperaturkompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt (X) eine Schaltung mit offener Steuerschleife ist.

5. Temperaturkompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungssteuerabschnitt (X) eine Regelschleifenschaltung ist.

6. Temperaturkompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt (X) folgendes aufweist:

- eine Integrierschaltung mit einem Operationsverstärker (A), einem zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers (A) eingefügten Kondensator (C), mit einer Spannungsteilereinrichtung mit einem ersten Widerstand (Ri) und einem zweiten Widerstand (Rii), wobei der Operationsverstärker (A) die erste Bezugsspannung (V&sub1;) über seinen mit dem ersten und dem zweiten Widerstand (Ri, Rii) verbundenen nicht invertierenden Eingangsanschluß und über seinen mit der ersten Bezugsspannung (V&sub1;) über einen dritten Widerstand (Riii) verbundenen invertierenden Eingangsanschluß erhält;

- zwei Widerstände (R&sub1;, R&sub2;) zum Aufteilen der ersten Bezugsspannung (V&sub1;) und einer zweiten Bezugsspannung (V&sub2;);

- eine mit den zwei Widerständen (R&sub1;, R&sub2;) und mit dem invertierenden Eingangsanschluß über einen vierten Widerstand (Riv) verbundene Umschalteinrichtung (S); und

- einen Spannungsimpulsbreitenwandler (2), der mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (A) verbunden ist, dessen Ausgangsanschluß mit einem Steuereingang der Umschalteinrichtung (S) verbunden ist.

7. Temperaturkompensationsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der vier Widerstände (Ri, Rii, Riii, Riv) ein temperaturempfindliches Element (RT) ist.

8. Temperaturkompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturimpulsbreiten-Umwandlungsschaltungsabschnitt (X) folgendes aufweist:

- eine Integrierschaltung mit einem Operationsverstärker (A), einem zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers (A) eingefügten Kondensator (C), mit einer Spannungsteilereinrichtung mit einem ersten Widerstand (Ri) und einem zweiten Widerstand (Rii), wobei der Operationsverstärker (A) die erste Bezugsspannung (V&sub1;) über seinen mit dem ersten und dem zweiten Widerstand (Ri, Rii) verbundenen nicht invertierenden Eingangsanschluß und über seinen mit der ersten Bezugsspannung (V&sub1;) über eine Reihenschaltung eines Widerstandes (Riii) und eines temperaturempfindlichen Elements (RT) verbundenen invertierenden Eingangsanschluß erhält;

- eine Umschalteinrichtung (S), die mit der ersten und der zweiten Bezugsspannung (V&sub1;, V&sub2;) und dem invertierenden Eingangsanschluß über einen vierten Widerstand (Riv) verbunden ist; und

- einen Spannungsimpulsbreitenwandler (2), der mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (A) verbunden ist, wobei dessen Ausgangsanschluß mit einem Steuereingang der Umschalteinrichtung (S) verbunden ist.