DE9117023U1 - Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands - Google Patents

Description

Aktenzeichen: G 91 17 023.0 6. April 1995

Anmelder: Lauda Dr. R. Wobser SS/js

Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Widerstandswerts eines Sensorwiderstands nach dem Prinzip eines Spannungszeit-Umsetzers.

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 Zäher gespeichert wird (K. Steinbuch, Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung, 2. Auflage, Seite 729). - Nachteilig hierbei ist, daß Schwankungen der Schaltungsparameter, insbesondere eines Sägezahngenerators 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 MeSspannung oder den Widerstand, an dem sie abfällt, ist eine zusätzliche Linearisierungsschaltung erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wenig aufwendige Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu bilden, bei der Meßungenauigkeiten infolge zeitlicher Schwankungen (Driften) von Parametern der zur Ausübung des Verfahrens verwendeten Schaltungsanordnung weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

jg Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zur Durchführung eines genauen Meßverfahrens geeignet, bei dem sich insbesondere eine langfristige Drift des Konstantstroms nicht auf das digitale Meßergebnis auswirkt. Ähnlich werden Parameterschwankungen insbesondere der Schaltungsanordnung weitgehend

2Q 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 Widerstandwerte zueinander in Bezug gesetzt werden, können praktisch sämtliche Driftwirkungen korrigiert werden. Eine Referenzspannungsquelle ist nicht erforderlich. Die Genauigkeit hängt im wesentlichen nur von dem Referenzwiderstand in der Schaltungsanordnung ab.

Die zur digitalen Messung vorgesehene Schaltungsanordnung ist QQ überall dort vorteilhaft anwendbar, wo Gleichstrom-Widerstandsmessungen mit niedriger Meßrate durchzuführen sind. Hierbei kann der Hardware-Aufwand beispielsweise zur Temperaturmessung reduziert werden, da insbesondere Schaltungselemente zur Linearisierung entfallen.

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

Zweckmäßig wird in der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 die aufeinanderfolgend zur Vergleichsbildung mit der integrierten Spannung herangezogene Sensorspannung und Referenzspannung mit ein und demselben Verstärker verstärkt. Eine Drift des Verstärkungsfaktors wirkt sich infolge der Quotientenbildung ebenfalls nicht auf das digitale Meßergebnis aus.

Die Schaltungsanordnungen nach den Ansprüchen 1-5 zeichnen sich durch einen geringeren Hardware-Aufwand aus.

Der Hardware-Aufwand kann weiterhin dadurch minimiert werden, daß ein Mikroprozessor, der für Mikroprozessor-gesteuerte Meßgeräte ohnehin benötigt wird, herangezogen wird, um den digitalen Meßwert zu bilden. Insbesondere können nach Anspruch 5 ein in dem Mikroprozessor enthaltener Speicher, ein Zähler, ein Quotientenbilder und eine Ablaufsteuerungseinrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. de Realisierung der Schaltungsanordnung herangezogen werden. Es sind somit nur wenige zusätzliche Hardware-Elemente erforderlich. Die zusätzliche Beanspruchung eines in dem Mikroprozessor enthaltenen Rechenwerks (CPU) ist bei der Analog-Digital-Umsetzung gering. Notwendige Parameter der Analog-Digital-Umsetzung können in dem Mikroprozessor durch ein

2_ Programm eingestellt werden. Ein gesonderter Schaltungsabgleich kann entfallen. Durch die Einstellung des Mikroprozessors mit dem Programm können eine Umrechnung und Auswertung einschließlich einer statistischen Bewertung, insbesondere 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.

^O Zur Meßbereichsumschaltung kann nach Anspruch 4 zweckmäßig der Integrator in seinem Gegenkopplungszweig umgeschaltet werden. Hierzu kann im einzelnen parallel zu einem im Gegenkopplungszweig angeordneten Kondensator ein Widerstand eingeschaltet werden, der zu einem konstanten Eingangswiderstand

■Lg 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 Schaltungsanordnung 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 Vergleichswiderstands 4 speist. Die infolge des Konstantstroms an den Widerständen 2-4 abfallenden Spannungen sind mit U ,, U _ und U 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 ü. 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 des Verstärkers 16 anliegt.

Der Ausgang des Komparators 14 steht mit einem Anschluß 24 eines Mikroprozessors in Verbindung, der allgemein mit 17 bezeichnet 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 Ablaufsteuerungseinrichtung 26. Die genannten Komponenten sowie der Anschluß 2 4

..&idigr;

_6.„.

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 durchgeführt:

Durch den Sensorwiderstand 2, den Referenzwiderstand 3 und den Vergleichswiderstand 4 wird von der Konstantstromquelle

ein Konstantstrom I getrieben. Dabei entstehen an dem Referenzwiderstand 3 und dem Vergleichswiderstand 4 die Spannungen U _ und U , die zusammen die Eingangsspannung U. des Integrators 6 bilden.
15

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 t., 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 "ZÄHLER" 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_p, an dem Sensorwiderstand 2 über den Verstärker 16 verstärkt dem Komparatorverstärker 13 zugeführt wird. Wenn die Ausgangsspannung U. an dem Ausgang des Integrators die verstärkte Ausgangsspannung U des Sensorwiderstands erreicht, gibt der Komparator 14 zu dem Zeitpunkt t„ 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 _f in der gleichen Weise zwischen den Zeitpunkten t₃ und t. gemessen werden kann. Die Zeitdifferenz t. 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 Integrationsspannung U. gleich der Eingangsspannung U.„ multipliziert

1 1.SIi

mit dem Quotienten der Widerstandswerte des Gegenkopplungs-Widerstands 9 zu dem Eingangswiderstand 5. In dem vorherigen

Meßbereich I war dagegen die Eingangsspannung U. mit dem Quotienten aus dem Gegenkopplungswiderstand 8 zu dem Eingangswiderstand 5 zu bilden. Der Widerstanswert des Referenzwiderstands 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 korrigierte Temperatur errechnet werden, die durch Widerstandsveränderung des Sensorwiderstands 2 gemessen wird. Zur Berechnung der korrigierten Temperatur wird also ebenfalls der Mikroprozessor 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 Gleichspannung 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 Operationsverstärkers 3 6 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. 35

25. Januar 19 95 verb

In dem Integrator kann der Kondensator 7 eine Kapazität von 0,22 \iF 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 2 9 und den Widerständen 30, 31 nicht nur einen Referenzwiderstand auf, sondern einen zu ihm in Reihe geschalteten zweiten Referenzwiderstand 3'. Außerdem liegt in Serie zu dem Sensorwiderstand 2 ein zweiter Sensorwiderstand 2' in dem Stromkreis der Konstantstromquelle. Die Sensorwiderstände 2 und 2' sowie die Referenzwiderstände 3 und 3' können durch einen modifizierten gesteuerten Umschalter 15' mit erweiterten Umschaltmöglichkeiten - vgl. in Fig.4 angedeutete Schaltkontakte umgeschaltet werden, wobei z.B. dem Sensorwiderstand 2 der Referenzwiderstand 3 in der zu den Figuren 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, A-, A_ über drei gezeigte Leitungen mit einer Gruppe Steuerausgänge des Mikroprozessors verbunden.

Claims (6)

• · Aktenzeichen: G 91 17 023.0 6. April 1995 Anmelder: Lauda Dr. R. Wobser SS/js Schutzansprüche

1. Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Widerstandswerts 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 gesteuerten Umschaltung (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 _t einen zweiten, der Referenzspannung 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.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
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 Referenzwiderstand (3) an dem Eingang des Integrators (6) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem gesteuerten Umschalter (15) und dem zweiten Eingang des Komparators (13,14) ein Verstärker (16) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
_on dadurch gekennzeichnet,

daß zur Meßbereichsumschaltung der Integrator (6) in seinem Gegenkopplungszweig umschaltbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Zähler (18), der Speicher (19), der Quotientenbilder (25) und die Ablauf steuereinrichtung (26) Bestandteile eines Mikroprozessors (17) sind.