DE4104172A1 - Verfahren zur digitalen messung eines widerstandswerts eines sensorwiderstands - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Messung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands nach dem Prinzip der Spannungszeit-Umsetzung sowie eine Schaltungsan­ ordnung zur Durchführung dieses Meßverfahrens.

In der Technik der elektrischen Messung nicht elektrischer Meßgrößen werden die Meßgrößen häufig in einer Änderung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands ausgedrückt. Der Sensorwiderstand wird erfaßt und in eine digitale Größe zur Anzeige, Registrierung und/oder Steuerung umgesetzt. Da der analoge Widerstandswert in eine digitale Größe umgewandelt wird, handelt es sich um ein Verfahren zur Analog-Digital- Umsetzung, welches mit einem Analog-Digital-Umsetzer ausgeübt wird.

Zum Stand der Technik der Umsetzung einer analogen elektrischen Größe, insbesondere einer Meßspannung in eine digitale Größe ist es bekannt, die Meßspannung mit einer Sägezahnspannung zu vergleichen, um die Zeitdauer, die verstreicht, bis die Sägezahnspannung die Meßspannung erreicht, mit Zählimpulsen zu einem Zählwert auszuzählen, der in einem Zähler gespeichert wird (K. Steinbuch, Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung, 2. Auflage, Seite 729). - Nachteilig hierbei ist, daß Schwan­ kungen der Schaltungsparameter, insbesondere eines Sägezahn­ generators und eines den Sensorwiderstand durchfließenden Konstantstroms in die Meßgenauigkeit eingehen. Zur genauen Erfassung der Meßgröße in digitaler Form waren daher aufwendige Zusatzmaßnahmen, erforderlich. Zur Herstellung einer bestimmten Charakteristik der digitalen Größe bezogen auf die Meßspannung oder den Widerstand an dem sie abfällt, ist eine zusätzliche Linearisierungsschaltung erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wenig aufwendiges Verfahren und eine entsprechende Schal­ tungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu bilden, bei dem und Meßunge­ nauigkeiten infolge zeitlicher Schwankungen (Driften) von Parametern der zur Ausübung des Verfahrens verwendeten Schal­ tungsanordnung weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in dem kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet genau, da sich insbe­ sondere eine langfristige Drift des Konstantstroms nicht auf das digitale Meßergebnis auswirkt. Ähnlich werden Parameter­ schwankungen, insbesondere der zur Ausübung des Verfahrens vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, weitgehend durch die Quotientenbildung in ihren Auswirkungen auf den durch den Quotienten repräsentierten digitalen Meßwert eliminiert. Durch die abwechselnde Messung des Sensorwiderstands und des Referenzwiderstands, deren Widerstandswerte zueinander in Bezug gesetzt werden, können praktisch sämtliche Driftwirkungen korrigiert werden. Eine Referenzspannungsquelle ist nicht erforderlich. Die Genauigkeit des Verfahrens bzw. der zu seiner Ausübung gemäß Anspruch 5 vorgeschlagenen Schaltungsan­ ordnung hängt im wesentlichen nur von dem Referenzwiderstand ab.

Das Verfahren zur digitalen Messung bzw. die zu dessen Ausü­ bung vorgesehene Schaltungsanordnung sind überall dort vor­ teilhaft anwendbar, wo Gleichstrom-Widerstandsmessungen mit niedriger Meßrate durchzuführen sind. Hierbei kann der Hard­ ware-Aufwand beispielsweise zur Temperaturmessung reduziert werden, da insbesondere Schaltungselemente zur Linearisierung entfallen.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 wird außer dem Sensorwiderstand und dem Referenz­ widerstand ein Vergleichswiderstand von dem Konstantstrom beaufschlagt, und die Summe der an dem Vergleichswiderstand und dem Referenzwiderstand abfallenden Spannungen wird jeweils integriert, um während der Integration mit dem Spannungsabfall an dem Sensorwiderstand bzw. anschließend an dem Referenz­ widerstand verglichen zu werden. Abgesehen davon ist das Prinzip der Quotientenbildung aus den beiden nacheinander gebildeten ersten und zweiten Zählwerten das gleiche wie nach dem Verfahren nach Anspruch 1.

Zweckmäßig werden nach den Ansprüchen 3 und 4 die aufeinander­ folgend zur Vergleichsbildung mit der integrierten Spannung herangezogene Sensorspannung und Referenzspannung in ein und demselben Verstärker verstärkt. Eine Drift des Verstärkungs­ faktors wirkt sich infolge der Quotientenbildung ebenfalls nicht auf das digitale Meßergebnis aus.

Die Schaltungsanordnungen zu der Realisierung der Verfahren nach den Ansprüchen 1-4 sind in den Ansprüchen 5-7 ange­ geben. Diese Schaltungsanordnungen zeichnen sich, wie erwähnt, durch einen geringen Hardware-Aufwand aus.

Der Hardware-Aufwand kann weiterhin dadurch minimiert werden, daß ein Mikroprozessor, der für Mikroprozessor-gesteuerte Meß­ geräte ohnehin benötigt wird, herangezogen wird, um den digi­ talen Meßwert zu bilden. Insbesondere können nach Anspruch 9 ein in dem Mikroprozessor enthaltener Speicher, ein Zähler, ein Quotientenbilder und eine Ablaufsteuerungseinrichtung zur Aus­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Realisierung der Schaltungsanordnung herangezogen werden. Es sind somit nur wenige zusätzliche Hardware-Elemente erforderlich. Die zusatz­ liche Beanspruchung eines in dem Mikroprozessor enthaltenen Rechenwerks (CPU) ist bei der Analog-Digital-Umsetzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gering. Notwendige Parameter der Analog-Digital-Umsetzung können in dem Mikroprozessor durch ein Programm eingestellt werden. Ein gesonderter Schal­ tungsabgleich kann entfallen. Durch die Einstellung des Mikroprozessors mit dem Programm können eine Umrechnung und Auswertung einschließlich einer statistischen Bewertung, ins­ besondere eine Filterung der Meßdaten ohne weiteren Hardware- Aufwand durchgeführt werden. Der geringe Bauteileaufwand für die Schaltungsanordnung wirkt sich auch verkürzend auf die notwendige Prüfzeit aus.

Zur Meßbereichsumschaltung kann nach Anspruch 8 zweckmäßig der Integrator in seinem Gegenkopplungszweig umgeschaltet werden. Hierzu kann im einzelnen parallel zu einem im Gegen­ kopplungszweig angeordneten Kondensator ein Widerstand einge­ schaltet werden, der zu einem konstanten Eingangswiderstand des Integrators ein bestimmtes Verhältnis bildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit vier Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild der Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands,

Fig. 2 Zeitdiagramme charakteristischer Abläufe in der Schaltungsnaordnung nach Fig. 2,

Fig. 3 die Schaltungsanordnung nach Fig. 1, teilweise detaillierter dargestellt und

Fig. 4 eine Variante der Schaltungsanordnung nach Fig. 3.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Konstantstromquelle bezeichnet, die eine Reihenschaltung eines Sensorwiderstands 2, der beispiels­ weise ein Platinwiderstand zur Temperaturmessung sein kann, eines hochstabilen Referenzwiderstands 3 sowie eines Vergleichs­ widerstands 4 speist. Die infolge des Konstantstroms an den Widerständen 2-4 abfallenden Spannungen sind mit U_Pt, U_ref und U_V bezeichnet.

Die Reihenschaltung des Vergleichswiderstands 4 und des Referenzwiderstands 3 ist über einen Eingangswiderstand 5 an einen Eingang eines Integrators 6 angeschlossen, der im wesentlichen aus einem Operationsverstärker sowie einem Kondensator 7 in einem Gegenkopplungszweig besteht, zu dem wahlweise ein Gegenkopplungswiderstand 8 oder ein anders dimensionierter Gegenkopplungswiderstand 9 über je einen Schalter 10 bzw. 11 parallel geschaltet werden kann. Ein weiterer Eingang des Integrators ist über einen Widerstand 12 geerdet. Ein Ausgang des Integrators, an dem die Spannung U_i anliegt, ist an einen Eingang eines Komparatorverstärkers 13 eines Komparators 14 angeschlossen.

Der Sensorwiderstand 2 oder der Referenzwiderstand 3 kann über einen gesteuerten Umschalter 15 und einen Verstärker 16 mit einem weiteren Eingang des Komparatorverstärkers 13 in Verbindung gebracht werden, an dem somit die Ausgangsspannung U_A des Verstärkers 16 anliegt.

Der Ausgang des Komparators 14 steht mit einem Anschluß 24 eines Mikroprozessors in Verbindung, der allgemein mit 17 be­ zeichnet ist. Steuerausgänge 21, 22 und 23 des Mikroprozessors dienen zur Betätigung der Schalter 11, 10 und des Umschalters 15.

Der Mikroprozessor enthält insbesondere einen Zähler 18, einen Speicher 19, einen Quotientenbilder 25, der insbesondere durch ein Rechenwerk realisiert ist, sowie eine Ablaufsteuerungsein­ richtung 26. Die genannten Komponenten sowie der Anschluß 24 und die Steuerausgänge 21-23 stehen über einen Bus 27 miteinander in Verbindung. An den Bus ist weiterhin eine interne digitale Anzeigeeinrichtung 28 angeschlossen.

Mit dieser Schaltungsanordnung wird das Verfahren zur digitalen Messung des Widerstandswerts des Sensorwiderstands 2 durchge­ führt:

Durch den Sensorwiderstand 2, den Referenzwiderstand 3 und den Vergleichswiderstand 4 wird von der Konstantstromquelle 1 ein Konstantstrom I getrieben. Dabei entstehen an dem Referenz­ widerstand 3 und dem Vergleichswiderstand 4 die Spannungen U_ref und U_V, die zusammen die Eingangsspannung U_iE des Inte­ grators 6 bilden.

In dem Integrator sei zunächst durch den Mikroprozessor 17 gesteuert in einem ersten Meßbereich I der Schalter 11 ständig geöffnet und der Schalter 10 anfangs geschlossen. Ab dem Zeitpunkt t₁, vergleiche Fig. 2, wird der Schalter 10 geöffnet, wodurch ein Integrationsvorgang (Abintegration) über den Kondensator 7 in dem Gegenkopplungszweig des Integrators 6 beginnt, vergleiche Kurvenzug INT in Fig. 2. Zugleich beginnt ein Zählvorgang, vergleiche unterer Kurvenzug "ZABLER" in Fig. 2, währenddessen Zählimpulse in den Zähler 18 eingezählt werden. Während dieser Zeit befindet sich der gesteuerte Umschalter 15 in der entgegengesetzten Schaltstellung wie in Fig. 1 dargestellt, so daß die Spannung U_Pt an dem Sensorwider­ stand 2 über den Verstärker 16 verstärkt dem Komparatorver­ stärker 13 zugeführt wird. Wenn die Ausgangsspannung U_i an dem Ausgang des Integrators die verstärkte Ausgangsspannung U_A des Sensorwiderstands erreicht, gibt der Komparator 14 zu dem Zeitpunkt t₂ einen Impuls ab, siehe Kurvenzug "KOMP" in Fig. 2, der den Zählvorgang in dem Zähler 18 stoppt. Dazu wird in dem Mikroprozessor dabei ein Interrupt ausgelöst.

Zugleich wird über den Steuerausgang 22 der Schalter 10 wieder geschlossen und über den Steuerausgang 23 der Umschalter 15 umgeschaltet, worauf die an dem Referenzwiderstand 3 abfallende Spannung U_ref in der gleichen Weise zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄ gemessen werden kann. Die Zeitdifferenz t₄ minus t₃ wird wiederum in dem Zähler 18 des Mikroprozessors als zweiter Zählwert ausgezählt, nachdem zuvor der erste Zählwert in den Speicher 19 übertragen wurde. Daran anschließend kann durch Quotientenbildung des ersten Zählwerts aus dem Speicher 19 und des zweiten Zählwerts mittels des Quotientenbilders 25 ein Maß für das Verhältnis des Sensorwiderstandswerts zu dem konstanten Referenzwiderstandswert errechnet werden, aus dem Drifteinflüsse eliminiert sind.

Es wird bemerkt, daß in einer anderen Ausführungsform der Mikroprozessor zwei Zähler enthalten kann, von denen je einer für den ersten Zählwert bzw. den zweiten Zählwert vorgesehen ist. Der Speicher wird hier nicht benötigt, da die Zählwerte direkt aus den Zählern zur Quotientenbildung ausgelesen werden können.

Der durch den Quotientenbilder errechnete Digitalwert des Widerstandsverhältnisses des Sensorwiderstands zu dem Referenzwiderstand wird mit der Anzeigeeinrichtung 28 digital angezeigt.

Zur Meßbereichsumschaltung wird durch den Mikroprozessor 17 gesteuert in einem Meßbereich II statt des Schalters 10, wie oben beschrieben, in gleichartiger Weise der Schalter 11 betätigt, und zwar von dem Steuerausgang 21.

Im stationären Zustand des Integrators ist dann die Integra­ tionsspannung U_i gleich der Eingangsspannung U_iE multipliziert mit dem Quotienten der Widerstandswerte des Gegenkopplungs­ widerstands 9 zu dem Eingangswiderstand 5. In dem vorherigen Meßbereich I war dagegen die Eingangsspannung U_iE mit dem Quotienten aus dem Gegenkopplungswiderstand 8 zu dem Eingangs­ widerstand 5 zu bilden. Der Widerstanswert des Referenzwider­ stands 3 ist so zu wählen, daß dieser in den Meßbereichen I und II jeweils gemessen werden kann.

Aus dem in dem Mikroprozessor 17 gebildeten Quotienten des ersten und des zweiten Zählwerts sowohl in dem Meßbereich I als auch in dem Meßbereich II kann beispielsweise eine korri­ gierte Temperatur errechnet werden, die durch Widerstandsver­ änderung des Sensorwiderstands 2 gemessen wird. Zur Berechnung der korrigierten Temperatur wird also ebenfalls der Mikropro­ zessor 17 verwendet, der entsprechend programmiert ist.

Aus Fig. 3 gehen weitere Einzelheiten der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 hervor, wobei übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind:

Die Konstantstromquelle wird durch einen Transistor vom Typ BSS 129 erzeugt, der mit dem Bezugszeichen 29 versehen ist und der mit Widerständen 30, 31 in der dargestellten Art und Weise beschaltet ist. An Klemmen 32, 33 wird eine Gleichspan­ nung gelegt, die nicht eng toleriert zu sein braucht.

Der Sensorwiderstand 2 ist ein Platinwiderstand von dem Typ Pt₅₀₀.

Der Verstärker 16 enthält zwei Operationsverstärker 34, 35, deren Ausgänge an zwei Eingänge eines dritten Operationsver­ stärkers 36 angeschlossen sind, der gegengekoppelt ist.

Der Komparatorverstärker 13 und der Komparator 14 enthalten jeweils nur einen Operationsverstärker 37 bzw. 38, die in der dargestellten Weise mit Widerständen beschaltet sind.

In dem Integrator kann der Kondensator 7 eine Kapazität von 0,22 µF aufweisen. Der Gegenkopplungswiderstand 8 hat dazu einen Widerstandswert von 127,7 Kiloohm, der Gegenkopplungs­ widerstand 9 einen Widerstandswert von 54,4 Kiloohm. Hierzu gehört ein Widerstandswert des Referenzwiderstands 3 von 692,5 Ohm.

Der Mikroprozessor 17 ist vom Typ SAB 80 535 (Hersteller: Siemens AG).

Die in Fig. 4 gezeigte, erweiterte Variante weist in dem Stromkreis der Konstantstromquelle mit dem Transistor 29 und den Widerständen 30, 31 nicht nur einen Referenzwiderstand 3 auf, sondern einen zu ihm in Reihe geschalteten zweiten Referenzwiderstand 3′. Außerdem liegt in Serie zu dem Sensor­ widerstand 2 ein zweiter Sensorwiderstand 2′ in dem Stromkreis der Konstantstromquelle. Die Sensorwiderstände 2 und 2′ sowie die Referenzwiderstände 3 und 3′ können durch einen modi­ fizierten gesteuerten Umschalter 15′ mit erweiterten Umschalt­ möglichkeiten - vgl. in Fig. 4 angedeutete Schaltkontakte - umgeschaltet werden, wobei z. B. dem Sensorwiderstand 2 der Referenzwiderstand 3 in der zu den Fig. 1-3 beschriebenen Funktion zugeordnet sein kann und dem Sensorwiderstand 2′ der Referenzwiderstand 3′ in analoger Funktion. Zur Steuerung des erweiterten Umschalters 15′ sind dessen Steueranschlüsse A₁, A₂, A₃ über drei gezeigte Leitungen mit einer Gruppe 23 Steuerausgänge des Mikroprozessors verbunden.

Claims (9)

1. Verfahren zur digitalen Messung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands nach dem Prinzip der Spannungszeit- Umsetzung, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Sensorwiderstand (2) mindestens ein Referenz­ widerstand (3 bzw. 3′) mit einem gleichen Konstantstrom (I) beaufschlagt wird, daß eine durch den Konstantstrom an dem Sensorwiderstand (2) abfallende Sensorspannung mit einer durch den Konstantstrom an dem Vergleichswiderstand (3) abfallenden integrierten Referenzspannung während der Integration verglichen wird, wobei die bis zum Gleichstand der Sensorspannung und der integrierten Vergleichsspannung verstrichene Zeit in einen ersten Zählwert umgesetzt wird, daß anschließend die an dem Referenzwiderstand abfallende Referenzspannung mit der integrierten Referenzspannung während der Integration verglichen wird, wobei die bis zum Gleichstand der Referenzspannung und der integrierten Referenzspannung verstrichene Zeit in einen zweiten Zählwert umgesetzt wird, und daß der Quotient des ersten und des zweiten Zählwerts gebildet wird, welcher den Widerstandswert des Sensorwiderstands bezogen auf den des Referenzwiderstands beinhaltet.

2. Verfahren zur digitalen Messung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands nach dem Prinzip der Spannungszeit- Umsetzung, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Sensorwiderstand (2) ein Vergleichswider­ stand (4) sowie ein Referenzwiderstand (3) von einem gleichen Konstantstrom (I) beaufschlagt werden, daß eine durch den Konstantstrom an dem Sensorwiderstand abfallende Sensorspannung mit einer durch den Konstantstrom an dem Vergleichswiderstand und dem Referenzwiderstand abfallenden integrierten Vergleichsspannung während der Integration verglichen wird, wobei die bis zum Gleichstand der Sensor­ spannung und der integrierten Vergleichsspannung verstri­ chene Zeit in einen ersten Zählwert umgesetzt wird, daß anschließend eine an dem Referenzwiderstand (3) abfallende Referenzspannung mit einer an dem Vergleichswiderstand (4) und dem Referenzwiderstand (3) abfallenden, integrierten Vergleichsspannung während der Integration verglichen wird, wobei die bis zum Gleichstand der Referenzspannung und der integrierten Vergleichsspannung verstrichene Zeit in einen zweiten Zählwert umgesetzt wird, und daß der Quotient des ersten und des zweiten Zählwerts gebildet wird, welcher den Widerstandswert des Sensorwiderstands bezogen auf den des Referenzwiderstands beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspannung und die Referenzspannung jeweils vor der Vergleichsbildung mit der integrierten Referenz­ spannung in einem Verstärker (16) verstärkt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspannung und die Referenzspannung jeweils vor der Vergleichsbildung mit der integrierten Summe der Referenzspannung und der Vergleichsspannung in einem Verstärker (16) verstärkt werden.

5. Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Widerstands eines Sensorwiderstands nach dem Prinzip eines Spannungszeit-Umsetzers, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung des Sensorwiderstands (2) mit einem Referenzwiderstand (3) an eine Konstantstromquelle (1) angeschlossen ist, daß der Referenzwiderstand (3) an dem Eingang eines Integrators (6) liegt, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines Komparators (13, 14) in Verbindung steht, dessen zweiter Eingang über einen ge­ steuerten Umschalter (15) in einer ersten Schalterstellung mit dem Sensorwiderstand (2) in Verbindung steht und in einer zweiten Schalterstellung des Umschalters (15) mit dem Referenzwiderstand (3) in Verbindung steht, daß mindestens ein Zähler (18) vorgesehen ist, in den durch den Komparator (13, 14) gesteuert während einer ersten Integrationszeit des Integrators (6) Zählimpulse einen ersten, der Sensorspannung proportionalen Zählwert bildend gezählt werden, und in den durch den Komparator (13, 14) gesteuert während einer zweiten Integrationszeit des Integrators (6) Zählimpulse einen zweiten, der Referenz­ spannung proportionalen Zählwert bildend gezählt werden, daß mindestens ein Speicher (19) vorgesehen ist, in welchem die Zählwerte oder hieraus abgeleitete Werte speicherbar sind und der mit einem Quotientenbilder (25) in Verbindung steht, der einen Quotienten aus dem ersten Zählwert und dem zweiten Zählwert bildet, und daß eine Ablaufsteuereinrichtung (26) vorgesehen ist, welche den gesteuerten Umschalter (15), den Integrator (6), den Zähler (18) und den Quotientenbilder (25) steuert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung des Sensorwiderstands (2), des Referenzwiderstands (3) und eines Vergleichswiderstands (4) an die Konstantstromquelle (1) angeschlossen ist und daß der Vergleichswiderstand (4) in Reihe zu dem Referenz­ widerstand (3) an dem Eingang des Integrators (6) liegen.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem gesteuerten Umschalter (15) und dem zweiten Eingang des Komparators (13, 14) ein Verstärker (16) angeordnet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßbereichsumschaltung der Integrator (6) in seinem Gegenkopplungszweig umschaltbar ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (18), der Speicher (19), der Quotienten­ bilder (25) und die Ablaufsteuereinrichtung (26) Bestand­ teile eines Mikroprozessors (17) sind.