DE4202137A1 - Widerstands- und kapazitaetsmessschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Widerstands- und Kapazitätsmeßschaltung. Sie ist überall dort anwendbar, wo Widerstände, Widerstandsverhältnisse, Leitwerte, Kapazitäten und deren Kehrwerte genau gemessen werden und eine einkanalige impulsproportionale Meßwertübertragung zu einer Empfangsstation erfolgen sollen.

Die Meßwertübertragung kann mit einem zweiadrigen Kabel, einem Lichtwellenleiter oder drahtlos mit HF-Modulation erfolgen.

Der vorrangige Einsatz ist die Temperatur- und Feuchtemessung in der Prozeßmeß-, Automatisierungs-, Klima- und Umweltmeßtechnik.

Darüber hinaus ist durch den Einsatz geeigneter anderer resistiver und kapazitiver Wandler auch die genaue Bestimmung anderer technisch-physikalischer Größen möglich.

Im Stand der Technik ist gemäß DE-OS 39 15 835 eine Widerstandsmeßschaltung bekannt, die ein einkanaliges digitales Ausgangssignal liefert. Unter Nutzung eines A/D-Wandlers nach dem Verfahren mit Ladungs­ mengenausgleich wird der Spannungsabfall des mit konstantem Strom gespeisten Meßwiderstandes bei nachfolgender Verstärkung in eine widerstands­ proportionale Impulszahl umgewandelt.

Zur Ausschaltung von Störungen durch Offset- und Driftgrößen ist ein Halte- und Abtastglied vorhanden, das bei kurzgeschlossenem Meßwiderstand die Fehlerspannung zur Differenzbildung mit der Meßgröße speichert.

Nachteilig ist dabei der Kontaktübergangswiderstand des Kurzschlußschalters, der insbesondere bei großen Meßbereichen eine extreme Genauigkeit verhindert.

Dieser Schaltungsanordnung haftet der Nachteil an, daß Leitwertmessungen nicht möglich sind.

Kapazitätsmessungen können ebenfalls nicht durch­ geführt werden, weil der Wert des im A/D-Wandler vorhandenen Kondensators keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat.

Nach DE-OS 36 33 791 sind ein Verfahren und eine Anordnung bekannt, mit der man Widerstandsverhältnisse ermitteln kann. Im analogen Teil der Anordnung werden die Teilspannungen an den Widerständen über ein Schalter- Kondensator-Netzwerk als Ladungspakete einer stufenweisen Integration zugefügt. Der Offseteinfluß wird durch eine Ladungsmengendifferenz kompensiert. Ein Gleichtakt- und Thermospannungseinfluß kann nicht beseitigt werden. Zur Kapazitätsmessung ist die Anordnung nicht geeignet, weil auch hier die verwendeten Kapazitäten keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Zur Kapazitätsmessung werden Oszillatoren benutzt. Präzisionsfunktionsgeneratoren gewährleisten die erfor­ derliche Genauigkeit und liefern die gewünschten digitalen Ausgangssignale. In Tietze, U. und Schenk, CH.: Halbleiterschaltungstechnik, Springer-Verlag, 6. Auflage, Seite 463 ff., sind solche Schaltungen, die aus geschalteten Stromquellen, Integrator und Komparatoren bestehen, dargestellt. Die Integrationszeitkonstante, die bei bekannten Strömen nur vom Integrationskondensator abhängt, ist ein Maß für die Ausgangsfrequenz.

Zur Widerstandsmessung ist eine solche Anordnung weniger gut geeignet, da ein stabiler Normalkondensator als Integrationskondensator vorhanden sein muß. Nachteilig ist auch der Einfluß von nicht stabilisierten Vergleichs­ spannungen der Komparatoren auf die Ausgangsfrequenz.

Die Anordnung und das Verfahren nach DD-PS 2 84 288 benutzt eine Funktionsgeneratoranordnung zum Ausmessen von Kapazitätswerten, wobei nur eine ungenauere Spannungssteuerung für den Integrator erfolgt.

In der Anordnung nach DE-OS 39 40 032 findet dagegen eine Kapazitäts- und Widerstandsmessung statt. Die Widerstandsmessung dient nur zur Temperaturkorrektur der Kapazität. Es wird nur ein Ausgangssignal gebildet und die rein analoge Funktionsweise ohne Fehlerkorrekturen gestattet keine Präzisionsmessungen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache integrationsfähige Elektronikschaltung anzu­ geben, die unter Umgehung der vorgenannten Nachteile ähnlicher Anordnungen sowohl widerstands- als auch kapa­ zitätsproportionale oder umgekehrt proportionale digitale Impulse zuverlässig und mit hoher Genauigkeit bildet, ohne daß ein hoher Aufwand an Bauelementen notwendig ist. Mit der Schaltungsanordnung soll eine einfache und genaue Widerstands- und Kapazitätsmessung unter Verwendung an sich bekannter Baugruppen bei einkanaliger digitaler Meßwertübertragung in elektrischer oder optischer Form zu einer Empfangsstation möglich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wider­ stands- und Kapazitätsmeßschaltung mit den in den Patent­ ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren mit sowohl resistivem als auch kapazitivem Verhalten angeschlossen werden kann.

An einen Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung sind normale Meßwiderstände, Meßwiderstände in Differenzschaltungen oder Meßwiderstände in Voll- und Halbbrückenanordnungen und an dem anderen Eingang sind kapazitive Sensoren anschließbar. Beide Arten von Sensoren werden in der Schaltung getrennt, entweder als Widerstände, Widerstandsverhältnisse, Leitwerte bzw. Leitwertverhältnisse oder als Kapazität bzw. Kehrwert der Kapazität ausgewertet. Am Ausgang der Schaltung steht ein resistives und ein kapazitives Meßergebnis nacheinander zur Übertragung auf einem Kanal (ein elektrisches Aderpaar, ein Lichtwellenleiter oder eine HF-Über­ tragungsstrecke) zur Verfügung.

Zwei in ihrem Wirkungsmechanismus unterschiedliche Sensoren können in einer einzigen Schaltung ausgewertet werden, wobei der schaltungstechnische Aufwand gegenüber einer Auswerteanordnung für nur einen Sensortyp unwesentlich größer ist. Die Grundschaltungen zur Auswertung resistiver und kapazitiver Sensoren sind hier in einer neuen Anordnung zusammengefaßt. Dabei werden die notwendigen schaltungstechnischen Maßnahmen zum Erreichen einer hohen Genauigkeit (Unterdrückung des Thermo-, Offset- und Gleichtaktspannungseinflusses) und noch andere Schaltungsteile für beide Sensortypen gemeinsam genutzt.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Blockschaltung der Widerstands- und Kapazitäts­ meßschaltung.

Sie enthält als Hauptbestandteil eine Funktions­ generatoranordnung mit einem Integrator 4, der eingangs­ seitig über einen Stromteiler 3 an die Ladestromquelle 2 und die mittels Stromschalter abschaltbare Entlade­ stromquelle 1 angeschlossen ist, einen folgenden Fensterkomparator 5 und eine Flipflop-Einheit 6, die aus einem parallel angeordneten RS- und D-Flipflop besteht, eingangsseitig über jeweils einen Invertierungsschalter 7 an die Ausgänge des Fensterkomparators 5 und ausgangs­ seitig über einen Flipflop-Auswahlschalter 8 als Rückführung an den Steuereingang des Stromschalters gelegt ist.

Die Entladestromquelle 1, die als bipolare Stromspiegel­ anordnung ausgeführt ist, ist am Speiseanschluß B an einen weiteren Invertierungsschalter 7 gelegt und ist an den Steuerstrompfad für die in Reihe liegenden Meßwiderstände R3 und R1 angeschlossen. Die bipolare Ladestromquelle 2 ist im Ladestrompfad in Reihe mit dem Meßwiderstand R2 am gemeinsamen Anschlußpunkt A von R1 und R2 an einen weiteren Invertierungsschalter 7 gelegt. Die gegenüberliegenden Spannungsabgriffe von R1 und R2 sind die Steuerleitungen für die Ladestromquelle 2. Die Spannungsabgriffe am Meßwiderstand R3 stellen die Referenzpotentiale des Fensterkomparators 5 dar. Zwischen dem Signaleingang und dem Takteingang des D-Flipflops liegt eine Synchronisationsschaltung 9, die eingangs­ seitig mit dem Taktgenerator 10 verbunden ist.

Zwei Meßartwahlleitungen müssen geschaltet sein. Dafür bestehen zwei Möglichkeiten. Die Leitungen können zwischen dem Ausgang der Flipflop-Einheit 6 und dem Eingang eines Frequenzteilers 11 sowie zwischen dem Taktgenerator 10 und dem Ausgangstor 12 oder zwischen dem Ausgang der Flipflop-Einheit 6 und dem Ausgangstor 12 sowie dem Taktgenerator 10 und dem Eingang des Frequenzteilers 11 geschaltet sein.

Die Ausgänge des Frequenzteilers 11 mit gestuften Teilerverhältnissen sind jeweils mit den Steuer­ anschlüssen des Ausgangstores 12, der Invertierungs­ schalter 7 und des Flipflop-Auswahlschalters 8 verbunden.

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Zwischen den Anschlußpunkten A und B liegt je nach Stellung der Invertierungsschalter positive oder negative Betriebsspannung für die Steuerung der Stromquellen 1 und 2 an. Der Strom durch die Meßwiderstände R1 und R3 hat die Größe I. Durch die Stromspiegelanordnung fließt er auch als Entladestrom. Die Regelung der Ladestromquelle funktioniert so, daß der Ladestrom IL dem Verhältnis der Meßwiderstände R1 und R2 mit IL = I _* R1/R2 entspricht. Der im Stromteiler um den Faktor K verringerte Ladestrom ist der Eingangsstrom des Integrators. Erreicht unter der Voraussetzung daß das D-Flipflop eingeschaltet ist, die Ausgangsspannung des Integrators die Schaltschwelle des am D-Eingang angeschlossenen Komparators, dann schaltet das D-Flipflop für eine durch den Taktgenerator und die Synchronisationsschaltung festgelegte Zeit um, und es wird dem Integrator durch Schließen des Stromschalters eine definierte Rücksetzladung zugeführt.

Da als Rücksetzstrom ebenfalls der Strom benutzt wird, mit dem der Meßwiderstand R1 gespeist wird, kompensieren sich Fehler durch Stromänderungen.

Die Synchronisationsschaltung stellt einen triggerbaren Frequenzteiler mit dem Teilungsverhältnis Tv dar. Immer nach Ankunft des D-Eingangsimpulses am Flipflop wird mit definierter Verzögerungszeit die geteilte Frequenz als Takt für das Flipflop ausgegeben. Diese Synchronisation verhindert einen digitalen Restfehler beim Signalübergang vom Integrator zum Flipflop-Schaltsignal.

In dieser Betriebsart arbeitet die Schaltung als Charge- Balancing-Strom/Frequenzumsetzer mit den bekannten Vorteilen der Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen des Integrationskondensators C, Drift der Komparatorschwelle, Schaltzeiten des Komparators und in bestimmten Grenzen Linearitätsfehlern und Verzögerungszeiten des Integrators.

Zur Bildung des Ausgangssignales werden die Flipflop- Schaltsignale in einer ersten Schaltungsvariante der Meßartwahlleitungen dem Frequenzleiter zugeführt, der für n Flipflop-Schaltsignale das Ausgangstor schließt und am Ausgang stehen die Impulse des Taktgenerators. Die vom Taktgenerator gesendete Impulszahl ergibt sich zu

und ist ein Maß für die Periodendauer des Funktionsgenerators bei variabler Torzeit mit fester Impulsausgangsfrequenz. Nach jeder Impulsausgabe schließt sich eine gleichlange Pause an.

In der zweiten Variante der Meßartwahlleitungen gelangen die Flipflop-Schaltsignale über das vom Taktgenerator und den Frequenzteiler gesteuerte Schalttor direkt zum Ausgang. Die gesendete Impulszahl ergibt sich zu

und ist ein Maß für die Frequenz des Funktionsgenerators bei fester Torzeit und variabler Impulsausgangsfrequenz. Nach jedem Meßzyklus werden vom Frequenzteiler gesteuert sämtliche Invertierungsschalter umgeschaltet. Damit erhält der gesamte analoge Eingangsteil eine umgepolte Betriebsspannung und die Auf- und Entladevorgänge erfolgen erneut, jedoch auch mit der umgekehrten Polarität.

Damit die Flipflop arbeiten können, müssen auch die Ausgänge der Komparatoren invertiert werden.

Die Betriebsspannungsumschaltung dient zum Eliminieren des Drift-, Offset- und Thermospannungseinflusses im analogen Meßkreis. Das fehlerfreie Meßergebnis ergibt sich aus dem Mittelwert von zwei aufeinanderfolgenden Messungen. Durch diese schaltungstechnische Maßnahme kann man im gesamten Meßkreis auf hochwertige offsetfreie und driftarme Bauelemente für die bipolaren Stromquellen verzichten.

Die Stromquellenanpassung zwischen Analogteil und Integrator gestattet auch Betriebsspannungsschwankungen. In dieser Betriebsart arbeitet die Schaltung als Widerstands-, Widerstandsverhältnis- oder Leitwert­ meßgerät.

Bei Widerstandsmessung ist nur ein einziger Präzisionswiderstand als Referenz erforderlich. Der Frequenzteiler legt nun weiter fest, daß nach m Doppelmeßzyklen der Flipflop-Wahlschalter umgeschaltet und damit der Kapazitätsmeßmodus eingestellt wird.

Die zu messende Kapazität ist der Integrationskondensator C. In dieser Betriebsart arbeitet die Schaltung als frei schwingender Funktionsgenerator mit einer durch die Komparatorgrenzen festgelegten Amplitudenbegrenzung. Da die Komparatorgrenzen durch den Spannungsabfall am Meßwiderstand R3, der auch vom Steuerstrom I durchflossen wird, festgelegt sind, werden mögliche Frequenzänderungen durch Stromschwankungen und auch Offset- und Driftfehler in Verbindung mit dem Polaritätswechsel vermieden. Der Stromteiler dient zur Anpassung des Kapazitäts­ meßbereiches.

Je nach Lage der Meßartwahlleitungen ergeben sich wieder zwei verschiedene Möglichkeiten der Bildung für die Ausgangsimpulse.

In der ersten Variante ergibt sich

und für die zweite Variante ergibt sich

Da die Widerstände R1 und R2 aus der vorherigen Widerstandsmessung bekannt sind, können sie hier wieder benutzt werden. Man spart auf diese Weise Präzisions­ bauelemente. Da die Frequenz des Taktgenerators bei der Frequenzmessung das Meßergebnis beeinflußt, ist die Benutzung eines Quarzoszillators günstig. Nach m Doppel­ meßzyklen schaltet die Einrichtung wieder automatisch auf Widerstandsmessung um. Die Steuerleitung zum Flipflop- Auswahlschalter kann auch auf festem Potential liegen, so daß die Schaltung nur Widerstände mißt. Nur Kapazitäten zu messen ist ungünstig, weil dann die Kontrolle der Widerstände R1 und R2 entfällt. Bei geschickter Dimensionierung können die Widerstände R1 bis R3 auch zur Korrektur einer temperaturabhängigen Kapazität bzw. anderen Meßgröße benutzt werden.

Die Genauigkeit der Anordnung wird durch die Genauigkeit und den Temperaturkoeffizienten der maximal zwei Widerstände bestimmt, die je nach Meßaufgabe Präzisionscharakter haben müssen. Unter der Voraus­ setzung, daß der Stromteiler und die Stromspiegel­ anordnung auch extreme Genauigkeitsforderungen erfüllen, sind insgesamt Messungen mit großer Präzision bei niedrigem Bauelementaufwand möglich.

Claims (2)

1. Widerstands- und Kapazitätsmeßschaltung mit einer Funktionsgeneratoranordnung aus einem Integrator, der eingansseitig an eine Ladestromquelle und eine mittels Stromschalter abschaltbare Entladestromquelle angeschlossen ist, einem folgenden Fensterkomparator und einer Flipflop-Schaltung, die ausgangsseitig über eine Rückführung mit dem Stromschalter verbunden ist, einer Synchronisationsschaltung, einem Frequenzteiler mit gestuften Teilerverhältnissen, einem Taktgenerator, Invertierungsschaltern und Meßwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladestromquelle in einer bipolaren Stromspiegelanordnung (1) am Speiseanschluß (B) an einen Invertierungsschalter (7) und an den Steuerstrompfad für die in Reihe liegenden Meßwiderstände (R1, R3), die bipolare Ladestromquelle (2) im Ladestrompfad in Reihe mit dem Meßwiderstand (R2) am gemeinsamen Verbindungspunkt (A) der Meßwiderstände (R1 und R2) an einen Invertierungsschalter (7), die gegenüberliegenden Spannungsabgriffe der Meßwiderstände (R1 und R2) an die Steuerung der Ladestromquelle, die Spannungsabgriffe (D und E) des Meßwiderstandes (R3) an die Referenzeingänge des Fensterkomparators (5) angeschlossen sind, zwischen dem Verbindungspunkt des Lade- und Entladestrompfades und dem Integrator (4) ein Stromteiler (3) angeordnet ist, die Flipflop-Einheit (6) aus einem parallel angeordneten RS- und D-Flipflop besteht, die eingangsseitig über jeweils einen Invertierungsschalter (7) mit den Ausgängen des Fensterkomparators (5) und ausgangsseitig über einen Flipflop-Auswahlschalter (8) verbunden sind, zwischen dem Signaleingang und dem Takteingang des D-Flipflops die Synchronisationsschaltung (9), die eingangsseitig mit dem Taktgenerator (10) verbunden ist, angeordnet ist, zwei Meßartwahlleitungen zwischen dem Ausgang der Flipflop-Einheit (6) und dem Frequenzteiler (11) sowie zwischen dem Taktgenerator (10) und dem Ausgangstor (12) vorhanden sind und daß die Ausgänge des Frequenzteilers (11) jeweils mit den Steueranschlüssen des Ausgangstores (12) der Invertierungsschalter (7) und des Flipflop- Auswahlschalters (8) verbunden sind.

2. Widerstands- und Kapazitätsmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßartwahlleitungen zwischen dem Ausgang der Flipflop-Einheit (6) und dem Ausgangstor (12) sowie zwischen dem Taktgenerator (10) und dem Eingang des Frequenzteilers (11) angeordnet sind.