DE3919092C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe einer Spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstel­ lung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe einer Spannung.

Steuer- und Regelgeräte werden vielfach eingangsseitig mit einem Widerstand verbunden, dessen Widerstandswert von einer physikalischen Größe, z. B. der Temperatur, beeinflußt wird. In Abhängigkeit von der Temperatur, die durch die Widerstandswerte erfaßt wird, werden dann Steuer- und Regelmaßnahmen durchgeführt. Wenn wegen der Gegebenheiten des Meßorts ein Widerstand für die Temperaturmessung nicht eingesetzt werden kann, können solche Steuer- und Regelgeräte nicht verwendet werden, die für einen bestimmten Eingangs­ widerstandsbereich ausgelegt sind. Die Änderung derartiger Steuer- und Re­ gelgeräte für die Verarbeitung anderer Eingangsgrößen ist vielfach nicht oder nur mit großem Aufwand möglich. Außerdem ergibt eine Umstellung auf eine andere Eingangsgröße einen anderen Geräteaufbau, so daß die Vorteile von standardisierten, in großen Stückzahlen hergestellten Steuer- und Regelgerä­ ten vielfach verlorengehen.

Gemäß der US-PS 4 338 531 ist ein Simulator eines Schiebewiderstandes be­ kannt, bei dem eine Eingangsspannung an einem Generator anliegt, welcher einen von zwei in Reihe geschalteten Widerständen innerhalb aufeinanderfol­ gender Zeitabschnitte kurzschließt. Der Kurzschluß des Widerstandes erfolgt dabei über ein parallel zum Widerstand angeordnetes Schaltelement. Mit dieser Anordnung erfolgt die Einstellung des mittleren Ausgangswiderstandes über das prozentuale Verhältnis der Kurzschlußzeit des Widerstandes. Eine genaue Einstellung des Widerstandes ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur genauen Einstel­ lung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe einer Spannung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln.

Die Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß viele Geräte zur Messung von Widerständen eine gewisse Trägheit aufweisen, die eine Reaktion auf schnelle Änderungen der Eingangsgröße ausschließt. Statt der schnell sich ändernden Eingangsgrößen werden von den Geräten Mittelwerte gemessen. Falls eine physikalische Größe mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nur durch eine Spannung zu erfassen ist, jedoch als Steuer- oder Regelgerät für eine bestimm­ te Aufgabe ein auf Widerstandswerte ansprechendes Gerät besonders zweck­ mäßig ist, kann auf die oben beschriebene Weise die Spannung in einen Wi­ derstandswert umgewandelt werden, den das Gerät verarbeitet.

Vorzugsweise sind die Zeitabschnitte periodisch und gleich groß und in der Pe­ riode kürzer als die Ansprechzeit eines den beiden Widerständen nachgeschal­ teten Meßgeräts. Die Periode kann an die Trägheit des jeweiligen Meßgeräts angepaßt werden.

Eine Vorrichtung zur Einstellung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe einer Spannung besteht erfindungsgemäß darin, daß zwei Wider­ stände in Reihe geschaltet und an eine Spannungsquelle gelegt sind und daß parallel zum einen Widerstand ein Schaltelement angeordnet ist, dessen Schaltzustand von einem Spannungs/Frequenzwandler steuerbar ist, dessen Eingang von der Spannung beaufschlagt ist. Das Schaltelement wird im Takte des Ausgangssignals des Spannungs/Frequenzwandlers ein- und ausge­ schaltet. In eingeschaltetem Zustand des Schaltelements wird der eine Widerstand überbrückt. Zwischen dem Wert des einen Wider­ stands bei kurzgeschlossenem anderem Widerstand und der Summe beider Widerstandswerte kann durch die Einstellung der Einschalt­ zeit des Schaltelements in Abstimmung auf den Bereich der Span­ nung am Eingang des Spannungs/Frequenzwandlers jeder Wider­ standswert eingestellt werden. Die Anordnung ermöglicht die Nachbildung von Widerstandswerten, z. B. von PTC- oder NTC-Widerständen. Beispielsweise kann hierdurch ein PT 100-Widerstand nachgebildet werden. Es kann eine relativ hohe Genauigkeit von z. B. 0,1% erzielt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist parallel zu der Reihen­ schaltung der beiden Widerstände ein Kondensator angeordnet, wobei die Parallelschaltung der beiden Widerstände und des Kon­ densators über einen weiteren Widerstand an eine Betriebsspan­ nungsquelle gelegt ist. Der Kondensator glättet die Ströme und Spannungen, so daß bereits hierdurch eine Annäherung des Strom- und Spannungsverlaufs an den Mittelwert in einem Zeitabschnitt erreicht wird.

Zweckmäßigerweise ist das Schaltelement ein Transistor, um hohe Schaltfrequenzen erzielen zu können.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält der Spannungs/Frequenzwandler einen Komparator, der an einem Eingang mit einem Rampenspannungsgenerator verbunden ist, während der andere Eingang von der Spannung beaufschlagt ist. Der Komparator erzeugt an seinem Ausgang ein Rechtecksignal, dessen Dauer von der Höhe der Spannung abhängt. Vorteilhaft ist es, wenn die Spannung des Rampenspannungsgenerators periodisch ist. Die Höhe der Gleichspannung am Eingang bestimmt das Impuls­ dauerverhältnis der Rechteckspannung.

Insbesondere ist der andere Eingang des Komparators mit einem Thermoelement verbunden. Hierdurch ist es möglich, die Spannung eines Thermoelements und damit die von diesem erfaßte Temperatur durch einen entsprechenden Widerstandswert eines temperaturabhängigen Widerstands nachzubilden. Die Anordnung ist besonders gut zur Bestimmung einer Abgastemperatur, insbesonde­ re in einem Kraftfahrzeug, geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Einstellung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe einer Spannung und

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs von eingestellten Widerstandswerten in Abhängigkeit von der Zeit.

Ein Thermoelement (1), das zur Temperaturmessung z. B. in einem Abgasstrom eingesetzt wird, ist an eine Anordnung (2) zur Ein­ stellung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe der Spannung des Thermoelements (1) angeschlossen. Die Anordnung (2) enthält einen Spannungs/Frequenzwandler, der einen Kompara­ tor (3) aufweist, der zwei Eingänge hat. Ein Eingang ist an das Thermoelement (1) angeschlossen. Der andere Eingang des Kompa­ rators (3) ist mit dem Ausgang eines Rampenspannungs-Generators (4) verbunden. Die vom Rampenspannungs-Generator (4) erzeugte Spannung ist periodisch und kann insbesondere auch nicht linear ansteigen.

Der Ausgang des Komparators (3) ist mit der Steuerelektrode eines Transistors (5) verbunden. Es handelt sich z. B. um einen bipo­ laren Transistor. Der Transistor (5) ist mit seiner Emitter-Kollek­ tor-Strecke parallel zu einem Widerstand (6) gelegt, der in Reihe mit einem weiteren Widerstand (7) angeordnet ist. Der Emitter des Transistors (5) und ein Anschluß des Widerstands (6) sind an Massepotential gelegt. Parallel zu der Reihenschaltung der Wider­ stände (6), (7) ist ein Kondensator (8) angeordnet. Der Wider­ stand (7) ist mit einem Anschluß des Kondensators (8) an einen Ausgang (9) der Anordnung (2) gelegt. Ein weiterer Anschluß (10) der Anordnung (2) ist an Massepotential gelegt. Die An­ schlüsse (9), (10) sind über Leitungen (11), (12) je mit einem Eingang (13), (14) einer Meßeinrichtung (15) verbunden, bei der es sich um ein Steuer- oder Regelgerät handeln kann, das eine Stellgröße in Abhängigkeit von der mit dem Thermoelement (1) festgestellten Temperatur erzeugt. Der Eingang (13) ist über einen Widerstand (16) an eine nicht dargestellte Betriebsspannungsquelle gelegt.

Der Wert des Widerstands (7) entspricht einer unteren Grenze des Meßbereichs, d. h. einer Spannung des Thermoelements (1), bei der eine dem Wert des Widerstands (7) entsprechende Temperatur auftritt. Die Summe der Werte der Widerstände (6) und (7) ent­ spricht der oberen Grenze des Meßbereichs, d. h. einer Spannung des Thermoelements (1), bei der eine der Summe der Werte ent­ sprechende Temperatur auftritt. Über die Ein- und Ausschaltzeit des Schaltelements, d. h. die Dauer des leitenden und nichtleiten­ den Zustands des Transistors (5) kann ein beliebiger zeitlicher Mittelwert des Widerstands zwischen der oberen und der unteren Grenze eingestellt werden. Durch das Tastverhältnis der Aus­ gangsspannung des Komparators (3) kann demnach ein Wider­ standswert einer bestimmten Komparatoreingangsspannung bzw. Thermoelementspannung zugeordnet werden.

Die Fig. 2 zeigt Widerstandswerte R in Ordinatenrichtung in Ab­ hängigkeit von der Zeit t, die in Abszissenrichtung dargestellt ist. Der Rampenspannungs-Generator (4) gibt eine periodische Schwin­ gung aus, deren Periode in Fig. 2 mit T_P bezeichnet ist. Inner­ halb der Periode T_P kann der leitende Zustand des Transistors (5) und damit die Kurzschlußzeit T_K des Widerstands (6) geändert werden, um einen gewünschten Widerstandswert einzustellen. Während der Zeit T_K steht an den Anschlüssen (9), (10) ein Widerstandswert R1 zur Verfügung, der dem Wert des Widerstands (7) entspricht, da der Widerstand (6) kurzgeschlossen ist. Wäh­ rend des nicht leitenden Zustands des Transistors (5) ist der an den Anschlüssen (9), (10) verfügbare Widerstandswert die Summe aus R1 und dem Wert R2 des Widerstands (6). Der mittlere Wider­ stand während der Periode T_P entspricht dem Zeitintegral der Widerstandswerte. Wird mit Rmittel der mittlere Widerstand während einer Zeitspanne, die z. B. der Periode T_P entspricht, bezeichnet, dann gilt:

Rmittel = R1 + T_P-T_K/T_P·R2.

Das Tastverhältnis T_P-T_K/T_P wird so an die Höhe der Eingangs­ spannung des Komparators (3) angepaßt, daß ein gewünschter Widerstandswert Rmittel erreicht wird. Der Kondensator (8) glättet hierbei die Welligkeit der Ströme und Spannungen an den Wider­ ständen (7) und (6).

Der Komparator (3) vergleicht die vom Rampenspannungs-Generator (4) erzeugte periodische Spannung mit der Gleichspannung des Thermoelements (1). Überschreitet die Rampenspannung die Gleich­ spannung, entsteht am Ausgang des Komparators (3) eine Recht­ eckspannung, die den Transistor (5) leitend steuert. Ein ge­ wünschter nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem an den An­ schlüssen (9), (10) verfügbaren Widerstandswert und der Ein­ gangsspannung des Komparators (3) kann durch einen nichtli­ nearen Verlauf der Rampe erreicht werden, wie dies in Fig. 1 am Ausgang des Rampenspannungs-Generators (4) dargestellt ist. Auf diese Weise kann ein gewünschter Verlauf des Widerstandswerts an den Anschlüssen (9), (10) in Abhängigkeit von der Gleichspan­ nung an einem Komparatoreingang erreicht werden.

Die Meßeinrichtung (15) hat vorzugsweise eine Ansprechzeit, die größer als die Periode T_P ist.

Mit der oben beschriebenen Vorrichtung kann der von einem Thermoelement (1) erfaßte Temperaturbereich in einen Wider­ standsbereich eines PTC- oder NTC-Widerstands umgewandelt werden. Beispielsweise kann ein PT 100 Widerstand nachgebildet werden.

Die Grenzwerte des Widerstandsbereichs ergeben sich, wenn der Transistor ständig leitend oder ständig nichtleitend ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Einstellung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe einer Spannung, bei welchem von zwei in Reihe geschalteten Wi­ derständen einer innerhalb aufeinanderfolgender Zeitabschnitte unter Abstimmung auf die Höhe der Spannung kurzgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Widerstände so lange kurzgeschlossen wird, bis die Summe des Werts des einen Widerstands und des Produkts des Werts des anderen Widerstands mit dem Quotienten aus der Kurz­ schlußdauer innerhalb des Zeitabschnitts und der Dauer des jeweiligen Zeitabschnitts einen der Höhe der Spannung zugeordneten Wert ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabschnitte periodisch, gleich groß und in der Periode kürzer als die Ansprechzeit einer den beiden Wider­ ständen nachgeschalteten Meßeinrichtung sind.

3. Vorrichtung zur Einstellung eines Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Größe einer Spannung, bei welcher zwei Widerstände (6, 7) in Reihe geschaltet und an eine Spannungsquelle gelegt sind, wobei parallel zum einen Widerstand (6) ein Schaltelement angeordnet ist, dessen Schaltzu­ stand von einem Spannungs/Frequenzwandler steuerbar ist, dessen Ein­ gang von der Spannung beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs/Frequenzwandler einen Komparator (3) enthält, der an ei­ nem Eingang mit einem Rampenspannungs-Generator (4) verbunden ist, während der andere Eingang von der Spannung beaufschlagt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Widerständen (6, 7) ein Kondensator (8) angeordnet ist und daß die Parallelschaltung der Widerstände (6, 7) und des Kondensators (8) über einen weiteren Wider­ stand (16) an eine Betriebsspannungsquelle gelegt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ein Transistor (5) ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs/Frequenzwandler einen Komparator (3) enthält, der an einem Eingang mit einem Rampenspannungs­ generator (4) verbunden ist, während der andere Eingang von der Spannung beaufschlagt ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rampenspannungsgenerator (4) eine Spannung ausgibt, deren Anstiegsrampe auf eine vorgegebene Funktion der Spannung in Abhängigkeit vom Widerstandswert abge­ stimmt ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Komparators (3) mit einem Ther­ moelement (1) verbunden ist.