DE4428689A1

DE4428689A1 - Four-line circuit operation method for resistance thermometer

Info

Publication number: DE4428689A1
Application number: DE19944428689
Authority: DE
Inventors: Detlev Dipl Ing Knauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 1996-02-15

Abstract

The four-line circuit is connected to a multiplexer. A relationship K = X/Y is calculated, where X and Y are known values of the transmittance values Rx,Ry of the multiplexer. The connection point (A1,A4) of a supply line (R1,R2) is short-circuited with the connection point (A2,A3) of the separated measuring line (RL1,RL2). A value W(delta) of the transimpedance (Rx,Ry) is indicated from the impressed constant current and a measured voltage drop at the transimpedance connected to the short circuited connection points (A1,A2,A3,A4). SU1 is the sum of the power resistance value (RL) and the transimpedance. SU2 is the sum of RL and Pt, the measurement resistance. A value Xt of the measurement resistance value (Pt) is determined from Xt = SU2-XL, where XL = SU1-W(delta) and W(delta) = Y(delta)xK; W(delta) = X(delta) x (1/k).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer an einen Multiplexer angeschlossenen Vier leiter-Schaltung für Widerstandsthermometer mit einer Meß widerstandsgröße, welcher über Versorgungsleitungen ein Kon stantstrom zuführbar und deren Spannungsabfall über zwei Meß leitungen abgreifbar ist, wobei die Leitungen von einem An schlußmittel zur Vierleiter-Schaltung geführt sind.The invention relates to a method and an arrangement for Operating a four connected to a multiplexer conductor circuit for resistance thermometer with a meas resistance variable, which is a con constant current can be supplied and its voltage drop over two measuring lines can be tapped, the lines from one to closing means are led to the four-wire circuit.

Aus der Druckschrift "Elektronische Meßtechnik", 1990, Vogel- Fachbuch "Elektronik" 6, sind Dreileiter- und Vierleiter- Schaltungen als Meßschaltungen für Widerstandsthermometer bekannt. In der Dreileiter-Schaltung wird das Widerstands thermometer vorzugsweise in einer Brückenschaltung betrieben, in welcher die Meßleitungen einmal in der rechten und linken Hälfte der Brücke angeordnet sind. Dadurch kompensieren sich die Leitungswiderstände vollständig. In einem praktischen Ausführungsbeispiel zeigt sich allerdings, daß die beiden Meßleitungen jedoch geringfügig unterschiedliche Widerstands werte aufweisen, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund wird die Dreileiter-Schaltung anstatt der Vierleiter-Schaltung nur in weniger verbreiteten Fällen eingesetzt, in denen die Kosten für eine entsprechende Ver drahtung Vorrang gegenüber der Meßgenauigkeit haben.From the publication "Elektronische Meßtechnik", 1990, Vogel- Technical book "Electronics" 6, are three-wire and four-wire Circuits as measuring circuits for resistance thermometers known. In the three-wire circuit, the resistance thermometer preferably operated in a bridge circuit, in which the measuring lines once in the right and left Half of the bridge are arranged. This compensates the line resistances completely. In a practical Embodiment shows, however, that the two Measuring lines, however, have slightly different resistance have values, which affects the measuring accuracy becomes. For this reason, the three-wire circuit is used instead the four-wire circuit only in less common cases used in which the cost of a corresponding ver have priority over the measurement accuracy.

In Meßsystemen, in welchen Dreileiter-Schaltungen z. B. an Halbleitermultiplexer angeschlossen sind, tritt weiterhin das Problem auf, daß sich der Widerstand des Halbleitermultiple xers zu den Leitungswiderständen addiert und darüber hinaus dieser Widerstand temperaturabhängig ist. Multiplexer mit vernachlässigbarem Widerstand, z. B. Multiplexer mit mechani schen Relais, scheiden aufgrund hoher Herstellungskosten und insbesondere aufgrund zu hoher Schaltzeiten aus. In measuring systems in which three-wire circuits z. B. on Semiconductor multiplexers are connected, this continues to occur Problem on that the resistance of the semiconductor multiple xers added to the line resistances and beyond this resistance is temperature dependent. Multiplexer with negligible resistance, e.g. B. Multiplexer with mechani relays, due to high manufacturing costs and especially due to excessive switching times.

Vierleiter-Schaltungen sind für Präzisionsmessungen vorgese hen und eignen sich insbesondere zur Verwendung in Meßsyste men mit einem Halbleitermultiplexer, da die Widerstände des Multiplexers die Messung nicht beeinflussen. Dies wird da durch erreicht, daß zum einen ein Konstantstrom das System versorgt und zum anderen die eigentlichen Meßleitungen hoch ohmig an die Meßschaltung angekoppelt sind, so daß kein stö render Spannungsabfall längs der Leitungs- und Multiplexer übergangswiderstände entsteht.Four-wire circuits are provided for precision measurements hen and are particularly suitable for use in measuring systems men with a semiconductor multiplexer, since the resistances of the Multiplexers do not affect the measurement. This will be there achieved by, on the one hand, a constant current the system supplied and on the other hand the actual test leads up ohmic are coupled to the measuring circuit, so that no interference render voltage drop along the line and multiplexer contact resistance arises.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine an einen Multiplexer angeschlossene Vierleiter-Schaltung als Dreileiter-Schaltung zu betreiben.The present invention has for its object a four-wire circuit connected to a multiplexer as Operate three-wire circuit.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den im An spruch 1 sowie mit einer Anordnung gemäß den in Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.This task is accomplished by a procedure according to the in award 1 and with an arrangement according to claim 2 specified measures solved.

Vorteilhaft ist, daß sowohl eine Vierleiter-Messung als auch eine Dreileiter-Messung mit einem nahezu gleichen Schaltungs aufbau möglich ist, wobei die weitverbreitete und für Präzi sionsmessungen geeignete Vierleiter-Schaltung vorgesehen ist. Mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln im Hinblick auf die eingesetzten Bauteile ist eine Dreileiter-Messung mög lich.It is advantageous that both a four-wire measurement and a three-wire measurement with an almost identical circuit construction is possible, the widespread and for precision suitable four-wire circuit is provided. With simple circuitry means with regard to the components used is a three-wire measurement possible Lich.

In einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 verarbeitet ein Mikrocontroller die Meßwerte, um den Widerstandswert des Meßwiderstandes zu ermitteln. In Meß umformern bzw. Signalformern als Bestandteil eines Automati sierungsgerätes sind diese Mikrocontroller ohnehin vorhanden, welche gewöhnliche Aufgaben übernehmen, wie z. B. eine Aufbe reitung der Meßwerte durch Kennlinien-Linearisierung oder zur Erfassung und Auswertung von Fehlerzuständen.In one embodiment of the invention according to the features of Claim 3, a microcontroller processes the measured values in order determine the resistance value of the measuring resistor. In meas transformers or signal formers as part of an automation system these microcontrollers are available anyway, which take on ordinary tasks, such as B. Aufbe The measured values are processed by means of characteristic linearization or Acquisition and evaluation of error conditions.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden die Erfindung sowie Ausge staltungen und Vorteile näher erläutert.Using the drawings, in which an embodiment of the Invention is shown, the invention and Ausge events and advantages explained in more detail.

Es zeigenShow it

Fig. 1 ein Meßsystem, Fig. 1 shows a measuring system,

Fig. 2 bis 4 eine Meßschaltung in verschiedenen Schalt stellungen und Fig. 2 to 4 positions of a measuring circuit in different switching and

Fig. 5 ein bekanntes Meßsystem. Fig. 5 shows a known measuring system.

Zur Verdeutlichung der Erfindung wird zunächst auf Fig. 5 verwiesen, in welcher ein an sich bekanntes Meßsystem veran schaulicht ist. Drei Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 mit Widerstandsthermometern (Meßwiderstände Pt) sind über An schlußstellen A1, A2, A3, A4 eines Anschlußmittels an einen Multiplexer HL, z. B. an ein optovoltaisches Halbleiter relais, angeschlossen. Die Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 sind mit Versorgungsleitungen R1, R2 und mit Meßleitungen RL1, RL2 versehen, von denen über den Multiplexer HL die Meß leitungen RL1, RL2 an einen in Form eines Differenzverstär kers DV ausgebildeten Operationsverstärker und die Versor gungsleitungen R1, R2 an eine Konstantstromquelle IK an schließbar sind. In Abhängigkeit der Schaltstellung des Mul tiplexers HL ist die Stromquelle IK und der Differenzver stärker DV mit einer der Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 verbunden. Im Beispiel beaufschlagt der Multiplexer HL die Eingänge des Differenzverstärkers DV mit dem Spannungsabfall am Meßwiderstand Pt der Vierleiter-Schaltung V2 und verbindet die Versorgungsleitungen R1, R2 dieser Vierleiter-Schaltung V2 mit der Stromquelle IK.To clarify the invention, reference is first made to FIG. 5, in which a measuring system known per se is illustrated. Three four-wire circuits V1, V2, V3 with resistance thermometers (measuring resistors Pt) are at connection points A1, A2, A3, A4 of a connection means to a multiplexer HL, z. B. relay connected to an optovoltaic semiconductor. The four-wire circuits V1, V2, V3 are provided with supply lines R1, R2 and with measuring lines RL1, RL2, of which via the multiplexer HL the measuring lines RL1, RL2 to an operational amplifier in the form of a differential amplifier DV and the supply lines R1 , R2 can be connected to a constant current source IK. Depending on the switching position of the multiplexer HL, the current source IK and the differential amplifier DV are connected to one of the four-wire circuits V1, V2, V3. In the example, the multiplexer HL applies the voltage drop across the measuring resistor Pt of the four-wire circuit V2 to the inputs of the differential amplifier DV and connects the supply lines R1, R2 of this four-wire circuit V2 to the current source IK.

Fig. 1 zeigt ein Meßsystem mit Dreileiter-Schaltungen D1, D2, D3, welches durch Modifikation des Meßsystems gemäß Fig. 5 entsteht. Die in den Figuren vorkommenden gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die jeweili gen Meßleitungen RL2 (Fig. 5) der Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 sind entfernt und die Anschlußstellen A3 dieser Meß leitungen RL2 mit den Anschlußstellen A4 der Versorgungs leitung R2 durch Brücken BR kurzgeschlossen. Zwischen dem Multiplexer HL und dem Differenzverstärker DV ist ein Halb leitermultiplexer HM geschaltet, welcher zwei jeweils aus drei Schaltern bestehende Schalteranordnungen S1, S2 auf weist. Die Schalteranordnung S1 dient zum Schalten der An schlußstellen A1 und A2 der Versorgungsleitung R1 und der Meßleitung RL1 sowie der Anschlußstelle A3 an den nichtinver tierenden Eingang des Differenzverstärkers DV, die Schalter anordnung S2 zum Schalten der Anschlußstelle A2 und A4 der Meß- und Versorgungsleitung RL1, R2 sowie der Anschlußstelle A3 an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers DV. FIG. 1 shows a measuring system with three-wire circuits D1, D2, D3, which is created by modifying the measuring system according to FIG. 5. The same parts occurring in the figures are provided with the same reference numerals. The respective test lines RL2 ( Fig. 5) of the four-wire circuits V1, V2, V3 are removed and the connection points A3 of these measurement lines RL2 shorted to the connection points A4 of the supply line R2 by bridges BR. A semiconductor multiplexer HM is connected between the multiplexer HL and the differential amplifier DV, which has two switch arrangements S1, S2 each consisting of three switches. The switch arrangement S1 is used to switch the connection points A1 and A2 of the supply line R1 and the measuring line RL1 and the connection point A3 to the non-inverting input of the differential amplifier DV, the switch arrangement S2 for switching the connection points A2 and A4 of the measurement and supply line RL1, R2 and the connection point A3 to the inverting input of the differential amplifier DV.

Um den Wert der Meßwiderstandsgröße Pt während einer gerade vorliegenden Umgebungstemperatur des Meßsystems, welches z. B. auf einer Baugruppe angeordnet ist, zu bestimmen, sind - wie im folgenden gezeigt wird - drei Messungen erforder lich. Dabei muß der zeitliche Abstand der Messungen gering sein (einige Sekunden), damit eine Änderung der Umgebungs temperatur die Meßergebnisse nicht verfälscht. Weiterhin muß ein Verhältnis K = X/Y errechnet werden, wobei X, Y bekannte Werte der Übergangswiderstandsgrößen Rx, Ry sind, welche z. B. bei Raumtemperatur ermittelt wurden und in einem Spei cher eines Mikrocontrollers (nicht dargestellt) hinterlegt sind. Zur näheren Erläuterung wird dazu die Funktions- und Wirkungsweise des Meßsystems anhand der Fig. 2 bis 4 ver anschaulicht, in welchen die durch den Multiplexer HL an den Differenzverstärker DV geschaltete Dreileiter-Schaltung D2 dargestellt ist. Dort sind die Leitungswiderstände der Ver sorgungsleitungen R1, R2 sowie der Meßleitung RL1 mit RL be zeichnet, die Übergangswiderstände des Multiplexers HL mit Rx, Ry.To the value of the resistance Pt during a current ambient temperature of the measuring system, which z. B. is arranged on an assembly to determine, - as will be shown in the following - three measurements required Lich. The time interval between the measurements must be small (a few seconds) so that a change in the ambient temperature does not falsify the measurement results. Furthermore, a ratio K = X / Y must be calculated, where X, Y are known values of the contact resistance quantities Rx, Ry, which z. B. were determined at room temperature and are stored in a memory of a microcontroller (not shown). For a more detailed explanation, the function and mode of operation of the measuring system is illustrated with reference to FIGS. 2 to 4, in which the three-wire circuit D2 connected to the differential amplifier DV by the multiplexer HL is shown. There are the line resistances of the supply lines Ver R1, R2 and the measuring line RL1 with RL be, the contact resistances of the multiplexer HL with Rx, Ry.

In Fig. 2 sind für eine erste Messung die Schalter der Schalteranordnungen S1, S2 (Fig. 1) derart eingestellt, daß einerseits die Anschlußstelle A3 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers DV verbunden ist, anderer seits die Anschlußstelle A4 der Versorgungsleitung R2 mit dem invertierenden Eingang. In diesen Schalterstellungen wird an den Eingängen des Differenzverstärkers DV der Spannungsabfall am Übergangswiderstand Ry des Multiplexers HL gemessen. Aus diesem Spannungsabfall und einem eingeprägten Strom I errechnet der Mikrocontroller zunächst den Wert Yδ der Über gangswiderstandsgröße Ry. Anschließend ermittelt der Control ler aus diesem Wert Yδ und einem errechneten Verhältnis K = X/Y einen Wert Xδ des Übergangswiderstandes Rx ent sprechend der Gleichung:In Fig. 2, the switches of the switch arrangements S1, S2 ( Fig. 1) are set for a first measurement such that on the one hand the connection point A3 is connected to the non-inverting input of the differential amplifier DV, on the other hand the connection point A4 of the supply line R2 with the inverting one Entrance. In these switch positions, the voltage drop across the contact resistance Ry of the multiplexer HL is measured at the inputs of the differential amplifier DV. From this voltage drop and an impressed current I, the microcontroller first calculates the value Yδ of the transition resistance variable Ry. The controller then determines a value Xδ of the contact resistance Rx from this value Yδ and a calculated ratio K = X / Y in accordance with the equation:

Xδ = = Yδ · K.Xδ = = YδK

In der Meßschaltung gemäß Fig. 3 verbinden für eine zweite Messung die Schalter der Schalteranordnungen S1, S2 die An schlußstelle A3 der Versorgungsleitung R1 mit dem nichtinver tierenden Eingang des Differenzverstärkers DV und die An schlußstelle A4 der Meßleitung RL1 mit dem invertierenden Eingang. Aus dem gemessenen Spannungsabfall an den Eingängen und dem eingeprägten Konstantstrom I ermittelt der Mikro controller zunächst den Wert SU1 der Summe aus Leitungs- und Übergangswiderstandsgröße RL, Rx und schließlich den Wert XL des Leitungswiderstandes RL nach der Gleichung:In the measuring circuit shown in FIG. 3 connect to a second measurement of the switches of the switch circuits S1, S2, the on-circuit location A3 to the supply line R1 with the nichtinver animal input of the differential amplifier DV, and the on-circuit location A4 the measuring line RL1 with the inverting input. From the measured voltage drop at the inputs and the impressed constant current I, the microcontroller first determines the value SU1 of the sum of the line and contact resistance variables RL, Rx and finally the value XL of the line resistance RL according to the equation:

XL = SU1 - Xδ,XL = SU1 - Xδ,

wobei Xδ den aufgrund der ersten Messung ermittelten Wert der Übergangswiderstandsgröße bedeutet.where Xδ is the value of the determined on the basis of the first measurement Transition resistance value means.

Um den Wert der Meßwiderstandsgröße Pt zu bestimmen, ist schließlich noch eine dritte Messung erforderlich. Die Schal terstellungen der Schalteranordnungen S1, S2 in der Meß schaltung gemäß Fig. 4 verbinden die Anschlußstelle A3 der Meßleitung RL1 mit dem nichtinvertierenden Eingang und die Anschlußstelle A4 mit dem invertierenden Eingang des Diffe renzverstärkers. Die an den Eingängen abgreifbare Spannung ist ein Maß für die Summe aus Leitungs- und Meßwiderstands größe. Der Mikrocontroller ermittelt aus dieser Spannung und dem Konstantstrom I den Summenwert SU2 und schließlich den Wert Xt der Meßwiderstandsgröße Pt aus der Beziehung:Finally, a third measurement is required to determine the value of the resistance Pt. The scarf terstellungen circuit according to Fig of switching devices S1, S2 in the measurement. 4 connecting the connection point A3 of the measuring line RL1 with the non-inverting input and the connection point A4 to the inverting input of the amplifier Diffe rence. The voltage that can be tapped at the inputs is a measure of the sum of the line and measuring resistance. From this voltage and the constant current I, the microcontroller determines the total value SU2 and finally the value Xt of the measuring resistor quantity Pt from the relationship:

Xt = SU2 - XL,Xt = SU2 - XL,

wobei XL den aufgrund der zweiten Messung ermittelten Wert des Leitungswiderstandes RL bedeutet. Aus dem Wert Xt der Meßwiderstandsgröße Pt kann nun in bekannter Art und Weise die vorliegende Temperatur bestimmt werden.where XL is the value determined on the basis of the second measurement of the line resistance RL means. From the value Xt the Measuring resistance Pt can now be done in a known manner the present temperature can be determined.

Es ist selbstverständlich möglich, die Meßschaltungen gemäß Fig. 2 bis 4 derart einzustellen, daß folgende Werte ermit telt werden:It is of course possible to set the measuring circuits according to FIGS . 2 to 4 in such a way that the following values are determined:

- the value Xδ of the contact resistance Rx (instead of Value Yδ of the contact resistance variable Ry),
- the value of the sum SU1 from line and transition resistance stand size RL, Ry (instead of the value of the sum of Lei and resistance values RL, Rx),
- the value of the sum SU2 from the line and measuring resistance size RL, Pt.

Der Wert Xt der Meßwiderstandsgröße Pt ermittelt sich dann zu:The value Xt of the resistance Pt is then determined to:

Xt = SU2 - XL
mit XL = SU1 - Yδ
und Yδ = Xδ · 1/K.Xt = SU2 - XL
with XL = SU1 - Yδ
and Yδ = Xδ · 1 / K.

Claims

1. Method for operating a four-wire circuit (V1, V2, V3) connected to a multiplexer (HL) for resistance thermometers with a measuring resistance (Pt), which can be supplied with a constant current via supply lines (R1, R2) and whose voltage drop over two Measuring lines (RL1, RL2) can be tapped, the lines (R1, R2, RL1, RL2) being led from a connecting means to the four-wire circuit (V1, V2, V3), characterized by the following method steps:

Calculating a ratio K = X / Y, where X, Y are known values of the contact resistance quantities Rx, Ry of the multiple xer (HL),
- removing a measuring line (RL1, RL2),
- Short-circuiting the connection point (A1, A4) of a supply line (R1, R2) in the connection means with the connection point (A2, A3) of the remote measuring line (RL1, RL2) in the connection means,
- Determining a value Wδ of the contact resistance variable (Rx, Ry) from the impressed constant current and a measured voltage drop across the contact resistor, which is connected to the short-circuited connection points (A1, A2; A3, A4),
Determining a value SU1 of the sum of the line resistance variable (RL) and the other contact resistance variable (Ry, Rx) from a measured voltage drop across the line and contact resistance and the impressed constant current,
- Determining a value SU2 of the sum of the line and measuring resistance variable (RL, Pt) from a measured voltage drop at the line and measuring resistor and the impressed constant current,
- Calculate a value Xt of the measuring resistance variable (Pt) from the relationship: Xt = SU2 - XL,
with XL = SU1 - Wδ and Wδ = Yδ · K or Wδ = Xδ · 1 / K.

2. Arrangement for performing the method according to claim l with a connected to a multiplexer (HL) Vierlei ter circuit (V1, V2, V3) for resistance thermometers with egg ner measuring resistance (Pt), which gene over supply lines (R1, R2) Constant current can be supplied and the voltage drop can be tapped via two measuring lines (RL1, RL2), where the lines (R1, R2, RL1, RL2) are led by a connecting means to the four-wire circuit (V1, V2, V3), as indicated by that

a measuring line (RL1, RL2) can be removed and its connection point (A2, A3) can be short-circuited with the connection point (A1, A4) in the connection means of a supply line (R1, R2),
- A semiconductor multiplexer (HM) connected downstream of the multiplexer (HL) is provided, which comprises a first and a second switch arrangement (S1, S2) each having three switches, of which a switch arrangement (S1) for switching the connection points (A1, A2) a supply line (R1) and the measuring line (RL1) and the connection point (A3) of the remote measuring line (RL2) to the non-inverting input of an operational amplifier (DV) and the other switch arrangement (S2) for switching the connection points (A1, A4) of the measuring line (RL1) and the other supply line (R2) and the connection point (A3) of the remote measuring line (RL2) to the inverting input of the operational amplifier (DV) is provided.

3. Arrangement according to claim 2, characterized net that a microcontroller provided with a memory for the calculation of the value Xt of the measuring resistance (Pt) is provided, the values X, Y of the transition resistance are stored in the memory.