NL1002732C2 - Instrumentatieversterker. - Google Patents

Description

Instrumentatieversterker

De uitvinding heeft betrekking op een instrumental tieversterker voor absolute spanningsversterking met een gebalanceerde spanningsinvoer en een gebalanceerde spannings-uitvoer, waarbij de spanningsinvoer gekoppeld is met eerste 5 ingangen van versterkereenheden welke een zeer hoge open-lus-versterking hebben, en voorts gekoppeld is met een terugkop-pelnetwerk dat is voorzien tussen de uitgangen en tweede ingangen van de versterkereenheden.

Een dergelijke instrumentatieversterker is uit de 10 praktijk bekend en wordt toegepast als meetversterker voor sensoren waarmede bijvoorbeeld procesgegevens zoals druk, temperatuur of stroomsterkte worden gemeten. Een bekende toepassing is de toepassing van de instrumentatieversterker in de olie-industrie, waarbij tijdens het boren meetapparatuur 15 in de boorschacht is opgenomen en zowel de meetinstrumenten als de instrumentatieversterker blootstaan aan hoge temperaturen. Te denken valt aan temperaturen in het traject van 175-250°C. Onder dergelijke omstandigheden worden hoge eisen gesteld aan de specificaties en de stabiliteit van deze spe-20 cificaties van de instrumentatieversterker en dientengevolge van de daarin toegepaste componenten. Een probleem wordt namelijk gevormd door de omstandigheid dat verschillen in drift tussen de componenten van de instrumentatieversterker leiden tot nauwkeurigheids- en kalibratieproblemen; met name bij de 25 genoemde toepassing is daarbij nog een bezwarende omstandigheid dat het onderhoud aan een in een boorschacht opgenomen instrumentatieversterker onmogelijk is. Indien onverhoopt een dergelijke instrumentatieversterker problemen vertoont, zijn de gemoeide kosten met het vervangen daarvan buitenproportio-30 neel hoog ten opzichte van de kosten van een dergelijke instrumentatieversterker .

Met de uitvinding wordt derhalve beoogd een instrumentatieversterker te verschaffen welke bij iedere bedrijfs-temperatuur een nauwkeurige spanningsversterking oplevert 35 zonder noodzaak tot kalibratie, waarbij de in de praktijk optredende drift van de toegepaste componenten zeer sterk 1002732 2 teruggedrongen invloed heeft op de nauwkeurigheid en stabiliteit van de instrumentatieversterker.

De instrumentatieversterker volgens de uitvinding wordt er daartoe door gekenmerkt, dat het terugkoppelnetwerk 5 onderling in hoofdzaak gelijkwaardige componenten omvat, welke tijdens een meetcyclus ieder op cyclische wijze door selectieve aansturing van met de componenten elektrisch gekoppelde schakelaars alle plaatsen in het terugkoppelnetwerk innemen, en dat de componenten van het terugkoppelnetwerk daar-10 bij een schakelaarvrije stroomlus vormen. Door het cyclisch verwisselen van de in hoofdzaak gelijkwaardige componenten wordt aan de instrumentatieversterker volgens de uitvinding een gemiddelde versterking verschaft welke in hoofdzaak afhangt van het aantal toegepaste componenten in het terugkop-15 pelnetwerk. Hierbij wordt een relatieve ongevoeligheid verkregen ten aanzien van de nominale waarde die iedere afzonderlijke component bezit, dat wil zeggen dat de gevoeligheid voor onderlinge afwijkingen van deze nominale waarde zeer sterk is teruggedrongen en van beperkte betekenis is voor de 20 nauwkeurigheid van de met de instrumentatieversterker verschafte versterking. Tevens heeft drift van de componenten nog slechts een zeer beperkte invloed. Met de maatregel dat de componenten van het terugkoppelnetwerk daarbij een schakelaarvrije stroomlus vormen is verzekerd dat de weerstands-25 bijdrage die dergelijke schakelaars leveren geen invloed heeft op de nauwkeurigheid van de instrumentatieversterker.

In een bepaald aspect volgens de uitvinding is de instrumentatieversterker erdoor gekenmerkt, dat op ieder knooppunt tussen twee direct met elkaar elektrisch gekoppelde 30 componenten zes schakelaars zijn aangesloten waarvan er tijdens de meetcyclus telkens althans één gesloten is, en welke schakelaars dienen voor het selectief koppelen van elk knooppunt afzonderlijk met achtereenvolgens één van beide tweede ingangen van de versterkereenheden, met één van beide uitgan-35 gen van de versterkereenheden, en met een lijn van de span-ningsuitvoer, zodanig dat ter zake van alle knooppunten een dergelijke koppeling bestaat waarbij de koppeling tussen de knooppunten kortsluitloos is.

Op deze wijze is een eenvoudige methode verschaft om 1002732 3 alle componenten alle wenselijke plaatsen in het terugkoppel-netwerk te laten innemen. Daarbij is het wenselijk dat gedurende een meetcyclus alle knooppunten een beperkte tijd gekoppeld worden met één van beide tweede ingangen van de ver-5 sterkereenheden, met de andere van beide tweede ingangen van de versterkereenheden, met één van beide uitgangen van de versterkereenheden en met de andere van beide uitgangen van de versterkereenheden.

In een bepaald aspect volgens de uitvinding is de 10 instrumentatieversterker erdoor gekenmerkt, dat met betrekking tot iedere component er in is voorzien dat gedurende een meetcyclus telkens de twee knooppunten aan weerszijden van een component uit de schakelaarvrije stroomlus door middel van selectieve aansturing van de schakelaars met de respec-15 tievelijke beide uitgangen van de versterkereenheden zijn gekoppeld. Deze met de beide uitgangen van de versterkereenheden gekoppelde component vormt dan telkens de belasting voor de beide meetversterkers over welke de uitgangsspanning, welke de nauwkeurig versterkte ingangsspanning representeert, 20 moet worden bepaald.

In verband daarmee worden volgens de uitvinding de twee knooppunten aan weerszijden van de componenten welke tijdens de meetcyclus met de respectievelijke beide uitgangen van de versterkereenheden zijn gekoppeld tevens door middel 25 van selectieve aansturing van de schakelaars met de respectievelijke beide lijnen van de gebalanceerde spanningsuitvoer gekoppeld.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening van een enkele figuur welke een instru-30 mentatieversterker volgens de uitvinding representeert.

De figuur toont een schema van een instrumentatie-versterker volgens de uitvinding met een spanningsinvoer met lijnen 1 en 2 waarop een spanningsbron kan worden aangesloten. De spanningsinvoer 1, 2 is gekoppeld met de positieve 35 eerste ingangen 3, 4 van versterkereenheden 5, 6, welke een zeer hoge open-lusversterking hebben. De gewenste gesloten lusversterking van de instrumentatieversterker wordt verschaft door toepassing van een terugkoppelnetwerk 7, dat is voorzien tussen de uitgangen 8, 9 en de negatieve ingangen 1002732 4 10, 11 van de versterkereenheden 5, 6. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld omvat het terugkoppelnetwerk 7, acht onderling in hoofdzaak gelijke weerstanden R, t/m Rg. Deze weerstanden worden zodanig geschakeld dat tussen een uitgang 5 8, 9 en een ingang 10, 11 van de spanningsversterkers 5, 6 zeven weerstanden zijn geschakeld, waarbij de achtste weerstand gekoppeld is tussen de beide negatieve ingangen 10, 11 van de spanningsversterkers 5, 6. Bij deze configuratie resulteert een gemiddelde versterking zeven. Andere verster-10 kingsfactoren zijn eenvoudig instelbaar door variatie van het aantal weerstanden van het terugkoppelnetwerk 7. Essentieel voor het bereiken van de doelstellingen volgens de uitvinding is dat de componenten Rt t/m Rs in hoofdzaak een gelijke waarde hebben, waarbij als resultaat van de volgens de uitvinding 15 toegepaste schakeling onder meer een ver teruggedrongen gevoeligheid bestaat voor afwijkingen ten opzichte van deze gelijke waarde. Op deze wijze wordt de nauwkeurigheid van de instrumentatieversterker bevorderd en is de noodzaak voor een herhaalde kalibratie ter bestrijding van drifteffecten terug-20 gedrongen.

Om deze doelstelling volgens de uitvinding te bereiken, dient ieder van de componenten R, t/m Rg gedurende een bepaalde meetcyclus elk van de mogelijke posities in het terugkoppelnetwerk 7 in te nemen, hetgeen volgens de uitvinding 25 wordt uitgevoerd door het op cyclische wijze en selectief aansturen van met de componenten R, t/m Rg elektrisch gekoppelde schakelaars, waarbij echter de componenten R, t/m Rg van het terugkoppelnetwerk 7 onderling doorlopend een schakelaar-vrije stroomlus 12 vormen. Daartoe is ieder knooppunt K12, K2>3, 30 K34, Kgj, K56, Kg,, K7g, Kg| voorzien van met deze knooppunten gekoppelde bundelingen van zes schakelaars Stt, S12, S^, SM, S45, Sjg, s67, S78, waarvan ten aanzien van iedere bundel schakelaars geldt dat tijdens bedrijf althans één schakelaar gesloten is, en waarbij deze schakelaars dienen voor het koppelen 35 van elk van genoemde knooppunten met één van beide tweede ingangen 10, 11 van de versterkereenheden 5, 6, met één van beide uitgangen 8, 9 van de versterkereenheden 5, 6, en met een lijn 12, 13 van de spanningsuitvoer V^. Daarbij is ieder 1002732 5 knooppunt met een ander punt verbonden, zodanig dat alle mogelijke verbindingen gemaakt zijn en de knooppunten onderling geen kortsluiting maken.

Volgens de uitvinding dient gedurende een meetcyclus 5 waarin wordt versterkt tot de waarde νΜ ieder knooppunt Ku, K2>3, K34, K45, Ks>6, Kö,, K7>8 en KM een beperkte tijd gekoppeld te worden met één van de beide tweede ingangen 10, 11 van de versterkereenheden 5, 6 respectievelijk met de andere van beide tweede ingangen 10, 11 van deze versterkereenheden, 10 met één van beide uitgangen 8, 9 van de versterkereenheden 5, 6 en met de andere 9, 8 van beide uitgangen van de versterkereenheden .

In de afgeheelde bevroren situatie van een bepaalde schakeling gedurende een meetcyclus is de component R4, al-15 thans de knooppunten 3, 4 en 4, 5 aan weerszijden van deze component R4, door middel van selectieve aansturing van schakelaars uit de met deze knooppunten gekoppelde bundels van schakelaars 834 en S45, met de respectievelijke uitgangen 8, 9 van de versterkereenheden 5,6 gekoppeld, en is tevens voor-20 zien in een koppeling van deze knooppunten K34 en K4J met de beide lijnen 12, 13 van de spanningsuitvoer door middel van selectieve aansturing van andere schakelaars uit de bundels van schakelaars S34 en S45. Met kan bijvoorbeeld een hoogohmige spanningsmeter verbonden worden voor het (nage-25 noeg) stroomloos meten van de spanning welke over de component H4 valt, waardoor een nauwkeurige meting daarvan mogelijk is zonder verstoring door de invloed van de door de desbetreffende schakelaars gevormde weerstanden. Dit is met name van belang in de gebruikelijke uitvoeringsvorm van een derge-30 lijke schakeling welke ten dele uit operationele versterkers bestaat en ten dele uit weerstanden en schakelaars. Deze gebruikelijke uitvoeringsvorm maakt gebruikt van schakelaars in de vorm van MOS-transistoren welke een significante span-ningsafhankelijke weerstand hebben. Met de schakeling volgens 35 de uitvinding is de invloed van deze spanningsafhankelijkheid geëlimineerd.

Door het cyclisch en selectief aansturen van de schakelaars Sgl, S,2, S^, 834, S45, SM, S67 en Sn verwisselen de 1002732 6 weerstanden R, t/m R, onderling doorlopend van plaats en vindt een uitmiddeling plaats van de weerstandswaarden welke bepalend zijn voor de versterking van de instrumentatieversterker. Bij in hoofdzaak gelijkwaardige componenten R, t/m R8 5 wordt op deze wijze een zeer nauwkeurige spanningsversterking verschaft, waarbij gevoeligheid voor drift ook vergaand is teruggedrongen. De snelheid waarmee de schakelaars welke de knooppunten tussen de componenten Rj t/m Rg verbinden met de ingangen en uitgangen van de operationele versterkers respec-10 tievelijk met de lijnen welke verbinden met de spanningsuit-voer van de instrumentatieversterker, wordt in hoofdzaak bepaald door de ruiskarakteristiek van de toegepaste componenten R, t/m Rg. Naarmate de freguentie van de 1/f ruiskarakteristiek van deze componenten hoger ligt, dient ook de aan-15 stuurfrequentie van de schakelaars hoger ingesteld te worden. Drift van de componenten R, t/m Rg waarvan de kantelfrequentie meer dan de aanstuurfrequentie bedraagt, wordt volgens de uitvinding wel gecompenseerd, maar in verminderde mate.

Met de instrumentatieversterker volgens de uitvin-20 ding blijkt een versterking realiseerbaar met een nauwkeurigheid welke beter is dan 10 ppm.

1002732

Claims (6)

1. Instrumentatieversterker voor absolute spannings-versterking met een gebalanceerde spanningsinvoer (1, 2) en een gebalanceerde spanningsuitvoer (12, 13), waarbij de span-ningsinvoer gekoppeld is met eerste ingangen (3, 4) van ver- 5 sterkereenheden (5, 6) welke een zeer hoge open-lusversterking hebben, en voorts gekoppeld is met een terugkoppelnet-werk (7) dat is voorzien tussen de uitgangen (8, 9) en tweede ingangen (10, 11) van de versterkereenheden (5, 6), met het kenmerk, dat het terugkoppelnetwerk (7) onderling in hoofd-10 zaak gelijkwaardige componenten (R,-Rg) omvat, welke tijdens een meetcyclus ieder op cyclische wijze door selectieve aansturing van met de componenten (R,-R,) elektrisch gekoppelde schakelaars (S|2, S23, S^, S43, S47, S^g, Sgj) alle plaatsen m het terugkoppelnetwerk (7) innemen, en dat de componenten 15 (Rt-Rg) van het terugkoppelnetwerk daarbij doorlopend een schakelaarvrije stroomlus (12) vormen.

2. Instrumentatieversterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op ieder knooppunt (K,2, K23, κ34, K45, KJ6, Kjj7, K78, K8I) tussen twee direct met elkaar elektrisch gekop- 20 pelde componenten zes schakelaars (St2, S^, S34, S45, SM, S67, S78, S81) zijn aangesloten waarvan er tijdens de meetcyclus telkens althans één gesloten is, en welke schakelaars dienen voor het selectief koppelen van elk knooppunt afzonderlijk met achtereenvolgens één van beide tweede ingangen (10, 11) 25 van de versterkereenheden (5, 6), met één van beide uitgangen (8 of 9) van de versterkereenheden (5, 6), en met een lijn (12 of 13) van de spanningsuitvoer, zodanig dat ter zake van alle knooppunten een dergelijke koppeling bestaat waarbij de koppeling tussen de knooppunten kortsluitloos is.

3. Instrumentatieversterker volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat gedurende een meetcyclus ieder knooppunt een beperkte tijd gekoppeld wordt met één (10 of 11) van beide tweede ingangen van de versterkereenheden (5, 6), met de andere (11 of 10) van beide tweede ingangen van de ver-35 sterkereenheden (5, 6), met één (8 of 9) van beide uitgangen 1002732 van de versterkereenheden (5, 6) en met de andere (9 of 8) van beide uitgangen van de versterkereenheden (5, 6).

4. Instrumentatieversterker volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat met betrekking tot iedere com- 5 ponent (R,-Rg) er in is voorzien dat gedurende een meetcyclus telkens de twee knooppunten aan weerszijden van een component uit de schakelaarvrije stroomlus (12) door middel van selectieve aansturing van de schakelaars met de respectievelijke beide uitgangen (8, 9) van de versterkereenheden (5, 6) zijn 10 gekoppeld.

5. Instrumentatieversterker volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de twee knooppunten aan weerszijden van de componenten (R,-Rg) welke tijdens de meetcyclus met de respectievelijke beide uitgangen (8, 9) van de versterkereenheden 15 (5, 6) zijn gekoppeld tevens door middel van selectieve aan sturing van de schakelaars met de respectievelijke beide lijnen (12, 13) van de gebalanceerde spanningsuitvoer zijn gekoppeld.

6. Instrumentatieversterker volgens een der voor-20 gaande conclusies, met het kenmerk, dat de schakelaars tijdens bedrijf een aanstuurfreguentie hebben waarmede deze openen respectievelijk sluiten, welke meer bedraagt dan de kan-telfrequentie volgens de 1/f ruiskarakteristiek van de componenten (R,-Rg). 1002732