DE3918695C1 - Resistance measuring circuit with differential amplifier - has voltage measurement device with input differential amplifier, and constant current source - Google Patents
Resistance measuring circuit with differential amplifier - has voltage measurement device with input differential amplifier, and constant current sourceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen eines Widerstandes, mit einer Speisespannungsquelle, einer Konstantstromquelle und einem Spannungsmeßgerät mit vorge schaltetem Differenzverstärker, wobeiThe invention relates to a circuit arrangement for measuring of a resistor, with a supply voltage source, one Constant current source and a voltage measuring device with pre switched differential amplifier, whereby
- - die Speisespannungsquelle sowohl die von der Konstantstrom quelle als auch die vom Spannungsgerät benötigte elek trische Energie liefert,- The supply voltage source both that of the constant current source as well as the elec tric energy provides
- - ausgehend von der Konstantstromquelle ein konstanter Meß strom über den zu messenden Widerstand mittels einer Hin leitung sowie einer Rückleitung geführt und der an dem zu messenden Widerstand entstehende Spannungsabfall über eine erste Meßleitung sowie eine zweite Meßleitung mit dem Spannungsmeßgerät gemessen wird,- Starting from the constant current source, a constant measurement current over the resistance to be measured by means of a Hin line and a return line and the on the measuring resistance resulting voltage drop over a first measuring line and a second measuring line with the Voltage measuring device is measured,
- - der erste Eingang des dem Spannungsmeßgerät vorgeschalte ten Differenzverstärkers mit dem Ende der ersten Meßlei tung und der zweite Eingang dieses Differenzverstärkers über einen Widerstand mit dessen Ausgang verbunden ist, und- The first input of the upstream of the voltmeter th differential amplifier at the end of the first measuring line device and the second input of this differential amplifier is connected to its output via a resistor, and
- - ein invertierender Differenzverstärker vorgesehen ist, dessen invertierender Eingang mit dem Ende der Rücklei tung, dessen nichtinvertierender Eingang mit einer zentra len Nulleitung und dessen Ausgang mit dem Ende der zweiten Meßleitung verbunden ist.an inverting differential amplifier is provided, its inverting input with the end of the return tion, whose non-inverting entrance with a zentra len zero line and its output at the end of the second Measuring line is connected.
Solche Schaltungsanordnungen benötigt man überall dort, wo physikalische Größen, die mittels Widerstandssensoren in ein elektrisches Signal umgesetzt werden sollen, z. B. für eine Temperaturmessung mit Widerstandsthermometer, Niveau- und Drehwinkelmessungen mit potentiometrischen Gebern usw. Die aus der DE-PS 24 48 337 B1 bekannte Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art arbeitet in 4-Leiterschaltung und kann bei Be darf natürlich auch in 2-Leiterschaltung betrieben werden.Such circuit arrangements are needed wherever physical quantities that are measured in a resistance sensor electrical signal to be implemented, e.g. B. for a Temperature measurement with resistance thermometer, level and Rotation angle measurements with potentiometric sensors etc. The circuit arrangement known from DE-PS 24 48 337 B1 of the type mentioned at the beginning works in 4-wire circuit and can be used at Be may of course also be operated in a 2-wire circuit.
In der Praxis kennt man auch Schaltungsanordnungen zum Mes sen eines Widerstandes, die in einer 3-Leiterschaltung arbei ten und ebenfalls in 2-Leiterschaltung einsetzbar sind. Es handelt sich hierbei aber um Schaltungsanordnungen, die unab hängig von den Schaltungsanordnungen in 4-Leiterschaltung sind.In practice, circuit arrangements for measuring are also known sen of a resistor working in a 3-wire circuit ten and can also be used in a 2-wire circuit. It but these are circuit arrangements that are independent depending on the circuit arrangements in 4-wire circuit are.
Eine Schaltungsanordnung, die durch Umschalten wahlweise in 4-Leiterschaltung oder 3-Leiterschaltung (jeweils einschließ lich 2-Leiterschaltung) betrieben werden kann, ist bisher nicht bekannt geworden, wäre aber wünschenswert, damit ein Anwender für alle Anwendungsfälle mit einer einzigen Geräte ausführung auskommt, was eine einfachere Lagerhaltung und Wartung beinhalten würde.A circuit arrangement, which can optionally be switched to 4-wire circuit or 3-wire circuit (each including Lich 2-wire circuit) can be operated so far not become known, but would be desirable to have one Users for all applications with a single device execution gets what simpler warehousing and Maintenance would involve.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie umschaltbar auch in 3-Leiterschaltung einsetzbar ist.The invention is therefore based on the object of a scarf training arrangement of the type mentioned in such a way that it is switchable and can also be used in a 3-wire circuit.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß der Aus gang der Konstantstromquelle in der Hinleitung über einen Verstärker, eine Umschalteinrichtung und einen weiteren Widerstand, der gleich groß ist wie der mit dem Differenzver stärker des Spannungsmeßgerätes parallelgeschaltete Wider stand, mit dem zweiten Eingang dieses Differenzverstärkers verbunden ist, und daß sich die Umschalteinrichtung zum Mes sen des Widerstandes in 3-Leiterschaltung in Schließstellung und zum Messen des Widerstandes in 4-Leiterschaltung in Offenstellung befindet.To achieve this object, the invention teaches that the constant current source in the forward line via a Amplifier, a switching device and another Resistance that is the same as that with the difference ver stronger of the voltage measuring device connected in parallel stood, with the second input of this differential amplifier is connected, and that the switching device for measuring the resistance in 3-wire circuit in the closed position and for measuring the resistance in 4-wire circuit in Open position.
Für die weitere Ausgestaltung bestehen im Rahmen der Erfin dung mehrere Möglichkeiten. So ist bei einer bevorzugten Aus führungsform vorgesehen, daß der Verstärker zwischen dem Aus gang der Konstantstromquelle und der Umschalteinrichtung als Differenzverstärker ausgeführt ist, dessen nichtinvertieren der Eingang mit dem Ausgang der Konstantstromquelle und des sen invertierender Eingang mit dem Ausgang dieses Differenz verstärkers verbunden ist. Die Umschalteinrichtung kann grundsätzlich beliebig ausgeführt sein, vorzugsweise ist sie jedoch mechanisch, z. B. mit Umschaltkontakt oder Steck brücke oder eleganter elektronisch ausgeführt. Zum Zwecke einer Kennlinienlinearisierung empfiehlt es sich, daß das Ausgangssignal des dem Spannungsmeßgerät vorgeschalteten Differenzverstärkers auf die Konstantstromquelle zurückge führt ist.For further development there are within the Erfin several options. So is with a preferred Aus form of management provided that the amplifier between the off gear of the constant current source and the switching device as Differential amplifier is executed, its not inverting the input with the output of the constant current source and the sen inverting input with the output of this difference amplifier is connected. The switching device can basically be of any design, preferably it is however mechanically, e.g. B. with changeover contact or plug bridge or more elegantly executed electronically. For the purpose a linearization of characteristics, it is recommended that the Output signal of the upstream of the voltage measuring device Differential amplifier back to the constant current source leads is.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wahl weise in 4-, 3- und 2-Leiterschaltung einsetzbar ist. Für den Einsatz in 4-Leiterschaltung wird die Umschalteinrichtung in Offenstellung gebracht, so daß die Kette Verstärker, Um schalteinrichtung, Widerstand gleichsam wirkungslos ist. Für den Einsatz als 3-Leiterschaltung ist die Umschalteinrich tung zu schließen; zugleich ist die zweite Meßleitung zu ent fernen und der Ausgang des virtuell nullenden invertierenden Differenzverstärkers zusätzlich mit dem Ende der Rückleitung zu verbinden; die Schaltungsanordnung funktioniert dann wie bekannte, in 3-Leiterschaltung ausgeführte Schaltungsanord nungen.The advantages achieved by the invention are there too see that the circuit arrangement according to the invention choice can be used in 4, 3 and 2-wire circuits. For the switchover device becomes the use in 4-wire circuit brought into the open position so that the chain amplifier, um switching device, resistance is effectively ineffective. For the switchover device is used as a 3-wire circuit tung close; at the same time the second measuring line must be removed distant and the output of the virtually zeroing inverting Differential amplifier additionally with the end of the return line connect to; the circuit arrangement then works like Known circuit arrangement implemented in 3-wire circuit mentions.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungs beispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzi ge Figur zeigt das Schema einer Schaltungsanordnung zum Mes sen eines Widerstandes.The invention is based on an embodiment example illustrative drawing explained in more detail. The only one Figure shows the schematic of a circuit arrangement for measuring resistance.
Die dargestellte Schaltungsanordnung zum Messen eines Wider standes 1 besteht aus einer Speisespannungsquelle 2, einer Konstantstromquelle 3 und einem einen hochohmigen Eingang aufweisenden Spannungsmeßgerät 4 mit vorgeschaltetem Diffe renzverstärker 5. Die Speisespannungsquelle 2 liefert sowohl die von der Konstantstromquelle 3 als auch die vom Spannungs meßgerät 4 benötigte elektrische Energie. Ausgehend von der Konstantstromquelle 3 ist ein konstanter Meßstrom über den zu messenden Widerstand 1 mittels einer Hinleitung 6 sowie einer Rückleitung 7 geführt. Der am zu messenden Widerstand 1 entstehende Spannungsabfall wird über eine erste Meßlei tung 8 sowie über eine zweite Meßleitung 9 mit dem Spannungs meßgerät 4 gemessen. Der erste Eingang 10, d. h. der nicht invertierende Eingang des dem Spannungsmeßgerät 4 vorgeschal teten Differenzverstärkers 5 ist mit dem Ende der ersten Meß leitung 8 verbunden. Der zweite Eingang 11, d. h. der inver tierende Eingang dieses Differenzverstärkers 4 ist über einen ohmschen Widerstand 12 mit dessen Ausgang 13 verbun den. Außerdem ist ein virtuell nullender invertierender Differenzverstärker 14 vorgesehen, dessen invertierender Ein gang 15 mit dem Ende der Rückleitung 7, dessen nichtinver tierender Eingang 16 mit einer zentralen Nulleitung 17 und dessen Ausgang 18 mit dem Ende der zweiten Meßleitung 9 ver bunden ist. Das Spannungsmeßgerät 4 mißt zwischen dem Aus gang 13 des vorgeschalteten Differenzverstärkers 5 und der zentralen Nulleitung 17.The circuit arrangement shown for measuring an opposing state 1 consists of a supply voltage source 2 , a constant current source 3 and a voltage measuring device 4 having a high-resistance input with an upstream differential amplifier 5 . The supply voltage source 2 provides both the constant current source 3 and the voltage measuring device 4 required electrical energy. Starting from the constant current source 3 , a constant measuring current is conducted across the resistor 1 to be measured by means of a forward line 6 and a return line 7 . The voltage drop occurring at the resistance 1 to be measured is measured via a first measuring line 8 and a second measuring line 9 with the voltage measuring device 4 . The first input 10 , that is, the non-inverting input of the differential amplifier 5 connected upstream of the voltage measuring device 4 is connected to the end of the first measuring line 8 . The second input 11 , ie the inverting input of this differential amplifier 4 is connected via an ohmic resistor 12 to its output 13 . In addition, a virtually zeroing inverting differential amplifier 14 is provided, the inverting input 15 with the end of the return line 7 , the non-inverting input 16 with a central zero line 17 and the output 18 with the end of the second measuring line 9 is connected. The voltage measuring device 4 measures between the output 13 of the upstream differential amplifier 5 and the central zero line 17th
Der der Hinleitung 6 zugeordnete Ausgang 19 der Konstant stromquelle 3 ist über einen Verstärker 20, eine Umschaltein richtung 21 und einen weiteren ohmschen Widerstand 22, der in seinem Wert dem dem Differenzverstärker 5 des Spannungs meßgerätes 4 parallelgeschalteten Widerstand 12 entspricht, mit dem zweiten Eingang 11 dieses Differenzverstärkers 5 ver bunden. Der der Umschalteinrichtung 21 zugeordnete Verstär ker 20 ist als Differenzverstärker ausgeführt, dessen nicht invertierender Eingang 23 mit dem Ausgang 19 der Konstant stromquelle 3 und dessen invertierender Eingang 24 mit dem Ausgang 25 dieses Differenzverstärkers verbunden ist. Die Umschalteinrichtung 21 ist in der Zeichnung als mechanischer Schalter dargestellt, er könnte aber auch elektronisch ausge führt sein. Jedenfalls ist das Ausgangssignal des dem Span nungsmeßgerät 4 vorgeschalteten Differenzverstärkers 5 zwecks Kennlinienlinearisierung auf die Konstantstromquelle 3 rückgeführt, was in der Zeichnung durch die gestrichelte Linie 26 dargestellt ist. The assigned to the outgoing line 6 output 19 of the constant current source 3 is via an amplifier 20 , a Umschaltein device 21 and another ohmic resistor 22 , which corresponds in value to the differential amplifier 5 of the voltage measuring device 4 connected in parallel resistor 12 with the second input 11th this differential amplifier 5 connected a related party. The switching device 21 associated amplifier 20 is designed as a differential amplifier, the non-inverting input 23 of which is connected to the output 19 of the constant current source 3 and the inverting input 24 of which is connected to the output 25 of this differential amplifier. The switching device 21 is shown in the drawing as a mechanical switch, but it could also be carried out electronically. In any case, the output signal of the clamping nungsmeßgerät 4 upstream of the differential amplifier 5 for the purpose of linearization of the constant current source 3 is recycled, which is shown in the drawing by the dashed line 26th
Die beschriebene Schaltungsanordnung erlaubt das Messen von Widerständen in 3- und 4-Leiterschaltung. So wie das Schalt bild dargestellt ist, d. h. mit der Umschalteinrichtung 21 in Schließstellung, ist die Schaltung zur Messung von Wider ständen in 3-Leiterschaltung eingerichtet. Die Geräteein gangsklemmen, an denen die Leitungen 7 und 9 angeschlossen sind, werden miteinander verbunden. Die Leitung 9 entfällt. Der zu messende Widerstand 1 wird über die Leitungen 6 und 7 aus der Konstantstromquelle 3 gespeist. Da der Ausgang 18 des Verstärkers 14 virtuell genullt ist, steht am nichtinver tierenden Eingang 10 des Verstärkers 5 eine Signalspannung der Größe I q ×(R 1+R 7). Am invertierenden Eingang 11 des Verstärkers 5 steht über den Verstärker 20 eine Signalspan nung von I q ×(R 1+R 6+R 7). Haben die beiden Widerstände 12 und 22 gleiche Größe R, so beträgt der nichtinvertierende Verstärkungsfaktor des Verstärkers 5 zwei. Der invertierende Verstärkungsfaktor beträgt dagegen -1. Das resultierende Aus gangssignal des Verstärkers 5 ergibt sich somit alsThe circuit arrangement described allows the measurement of resistances in 3- and 4-wire circuits. As the circuit diagram is shown, ie with the switching device 21 in the closed position, the circuit for measuring resistances is set up in a 3-wire circuit. The device input terminals, to which lines 7 and 9 are connected, are interconnected. The line 9 is omitted. The resistance 1 to be measured is fed via lines 6 and 7 from the constant current source 3 . Since the output 18 of the amplifier 14 is virtually zeroed, there is a signal voltage of the magnitude I q × (R 1 + R 7 ) at the non-inverting input 10 of the amplifier 5 . At the inverting input 11 of the amplifier 5 there is a signal voltage of I q × (R 1 + R 6 + R 7 ) via the amplifier 20 . If the two resistors 12 and 22 have the same size R , the non-inverting amplification factor of the amplifier 5 is two. The inverting gain factor, however, is -1. The resulting output signal from the amplifier 5 thus results as
U a =-1×I q (R 1+R 6+R 7)+2 I q ×(R 1+R 7). U a = -1 × I q (R 1 + R 6 + R 7 ) +2 I q × (R 1 + R 7 ).
Unter der Voraussetzung, daß die Leitungswiderstände R 6 und
R 7 gleich groß sind, kann die Gleichung vereinfacht werden:
U a =I q ×R 1.Assuming that the line resistances R 6 and R 7 are the same, the equation can be simplified:
U a = I q × R 1 .
Hieraus ersieht man, daß die Leitungswiderstände keinen Ein fluß auf das Meßergebnis haben. Das setzt voraus, daß der Konstantstrom I q , der aus der Konstantstromquelle 3 über den zu messenden Widerstand 1 fließt, nicht durch den Eingangs strom des Verstärkers 20 verfälscht wird. Der Eingangsstrom des Verstärkers 20 kann gegen Null gehend angenommen werden. Der Belastungsstrom, der durch die Widerstände 12, 22 hervor gerufen würde, wird durch den Ausgangsstrom des Verstärkers 20 erzeugt.From this it can be seen that the line resistances have no influence on the measurement result. This presupposes that the constant current I q , which flows from the constant current source 3 via the resistor 1 to be measured, is not falsified by the input current of the amplifier 20 . The input current of amplifier 20 can be assumed to be zero. The load current that would be caused by the resistors 12 , 22 is generated by the output current of the amplifier 20 .
Wird die Umschalteinrichtung 21 in Offenstellung gebracht, dann arbeitet die Schaltung in 4-Leiterschaltung. Der zu messende Widerstand 1 wird über die Leitungen R 6 bis R 9 mit den Geräteeingangsklemmen verbunden. Es erfolgt eine Konstant stromspeisung über den Leitungswiderstand R 6. Der Konstant strom wird über den Leitungswiderstand R 9 in den Ausgangsan schluß 18 des Verstärkers 14 so abgeleitet, daß der Verbin dungspunkt der Leitungen 7 und 9 an dem zu messenden Wider stand virtuell genullt wird. Über den Leitungswiderstand 8 wird dem nichtinvertierenden Eingang 10 des Verstärkers 5 das Signal I q ×R 1 zugefügt. Der Verstärkungsfaktor des Ver stärkers 5 beträgt nun +1. Das Ausgangssignal des Verstär kers ist jetztIf the switching device 21 is brought into the open position, the circuit operates in a 4-wire circuit. The resistance 1 to be measured is connected to the device input terminals via lines R 6 to R 9 . There is constant current supply via the line resistance R 6 . The constant current is derived via the line resistance R 9 in the output connection 18 of the amplifier 14 so that the connec tion point of the lines 7 and 9 at the resistance to be measured was virtually zeroed. The signal I q × R 1 is added to the non-inverting input 10 of the amplifier 5 via the line resistor 8 . The gain of the amplifier 5 is now +1. The output signal of the amplifier is now
U a =I q ×R 1. U a = I q × R 1 .
Der Übertrag bei der 3- bzw. 4-Leiterschaltung vom Meß- in den Ausgangskreis ist somit gleichwertig. Der Vorteil der 4- Leiterschaltung liegt in der Tatsache begründet, daß sich die Leitungswiderstände 6 und 9 in beliebiger Weise ändern dürfen, ohne einen Einfluß auf das Meßergebnis auszuüben. Bei der 3-Leiterschaltung wird der Einfluß der Leitungswider stände nur dann kompensiert, wenn die Leitungswiderstände gleiche Größen haben und sich gleichwertig ändern.The transfer in the 3- or 4-wire circuit from the measuring circuit to the output circuit is therefore equivalent. The advantage of the 4-wire circuit lies in the fact that the line resistances 6 and 9 can change in any way without exerting any influence on the measurement result. With the 3-wire circuit, the influence of the line resistances is only compensated for if the line resistances are of the same size and change with the same value.
Claims (4)
- - die Speisespannungsquelle (2) sowohl die von der Konstant stromquelle (3) als auch die vom Spannungsgerät (4) benötigte elektrische Energie liefert,
- - ausgehend von der Konstantstromquelle (3) ein konstanter Meßstrom über den zu messenden Widerstand (1) mittels einer Hinleitung (6) sowie einer Rückleitung (7) geführt und der an dem zu messenden Widerstand (1) entstehende Spannungs abfall über eine erste Meßleitung (8) sowie eine zweite Meßleitung (9) mit dem Spannungsmeßgerät (4) gemessen wird,
- - der erste Eingang (10) des dem Spannungsmeßgerät (4) vor geschalteten Differenzverstärkers (5) mit dem Ende der ersten Meßleitung (8) und der zweite Eingang (11) dieses Differenzverstärkers (5) über einen Widerstand (12) mit dessen Ausgang (13) verbunden ist, und
- - ein invertierender Differenzverstärker (14) vorgesehen ist, dessen invertierender Eingang (15) mit dem Ende der Rück leitung (7), dessen nichtinvertierender Eingang (16) mit einer zentralen Nulleitung (17) und dessen Ausgang (18) mit dem Ende der zweiten Meßleitung (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus gang (19) der Konstantstromquelle (3) in der Hinleitung (6) über einen Verstärker (20), eine Umschalteinrichtung (21) und einen weiteren Widerstand (22), der gleich groß ist wie der mit dem Differenzverstärker (5) des Spannungsmeßgerätes (4) parallelgeschaltete Widerstand (12), mit dem zweiten Eingang (11) dieses Differenzverstärkers (5) verbunden ist, und daß sich die Umschalteinrichtung (21) zum Messen des Widerstan des (1) in 3-Leiterschaltung in Schließstellung und zum Mes sen des Widerstandes (1) in 4-Leiterschaltung in Offenstel lung befindet.
- - The supply voltage source ( 2 ) provides both the constant current source ( 3 ) and the electrical device required by the voltage device ( 4 ),
- - Starting from the constant current source ( 3 ), a constant measuring current is conducted across the resistor ( 1 ) to be measured by means of an outgoing line ( 6 ) and a return line ( 7 ), and the voltage drop across the resistor ( 1 ) to be measured is conducted via a first measuring line ( 8 ) and a second measuring line ( 9 ) is measured with the voltage measuring device ( 4 ),
- - The first input ( 10 ) of the voltage measuring device ( 4 ) before connected differential amplifier ( 5 ) with the end of the first measuring line ( 8 ) and the second input ( 11 ) of this differential amplifier ( 5 ) via a resistor ( 12 ) with its output ( 13 ) is connected, and
- - An inverting differential amplifier ( 14 ) is provided, the inverting input ( 15 ) with the end of the return line ( 7 ), the non-inverting input ( 16 ) with a central zero line ( 17 ) and the output ( 18 ) with the end of the second Measuring line ( 9 ) is connected, characterized in that the output ( 19 ) of the constant current source ( 3 ) in the outgoing line ( 6 ) via an amplifier ( 20 ), a switching device ( 21 ) and a further resistor ( 22 ), which is the same is as large as the resistor ( 12 ) connected in parallel with the differential amplifier ( 5 ) of the voltage measuring device ( 4 ), is connected to the second input ( 11 ) of this differential amplifier ( 5 ), and that the switching device ( 21 ) for measuring the resistance of the ( 1 ) in a 3-wire circuit in the closed position and for measuring the resistance ( 1 ) in a 4-wire circuit in the open position.
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