NL8901079A - Passieve elektronische opnemer. - Google Patents

Description

Nedap N.V.

Passieve elektronische opnemer

De uitvinding betreft een elektronische opnemer voor het meten van waarden waarbij de meetschakeling verbonden met de sensor haar voedingsspanning verkrijgt uit het door de zend/ontvanger gegenereerd elektromagnetisch ondervraagveld, waarna de gemeten waarden, welke waarden door de elektronische schakeling in een digitale code worden geconverteerd, tesamen met de identificatiecode van de responder via hetzelfde elektromagnetische ondervraagveld naar de uitleeseenheid worden gezonden. De inrichting is bijvoorbeeld geschikt om met behulp van een zogenaamde NTC-weerstand, welke dient als opnemer, temperaturen te meten van mensen, dieren en goederen.

Het meten van temperaturen geschiedt op bekende wijze bijvoorbeeld met behulp van kwik- en alcoholthermometers. Voorts zijn ook bekend elektronische thermometers. De bezwaren van de bekende thermometers zijn dat de inrichting waarmee de temperatuur wordt gemeten rechtstreeks verbonden is met de bijbehorende uitleesmiddelen zoals af-leesschaal, display e.d. Wanneer temperaturen van mensen, dieren of goederen moeten worden gemeten, dient altijd een vast contact aanwezig te zijn tussen meetinrichting binnen het lichaam of goed, en de uitlezing buiten het lichaam of goed. Voorts dient, wanneer de temperatuur op elektronische wijze wordt bepaald, direct aan of in de temperatuursensor een energiebron aanwezig te zijn die de schakeling voorziet van energie.

Het doel van uitvinding is genoemde bezwaren op te heffen.

De opnemer met schakeling bestaat schematisch uit een resonantie-kring met een codeerschakeling - de responder én een sensor met een elektrische schakeling, welke zorgt voor conversie van de gemeten waarde in een digitale code. Indiende inrichting wordt gebruikt als een passieve thermometer is de sensor uitgevoerd in de vorm van een NTC-weerstand. De responder is bekend uit het octrooischrift 176404 van aanvraagster. De responderschakeling verkrijgt haar energie uit het elektromagnetisch ondervraagveld dat wordt opgewekt door de zend/ontvanger. Tegelijkertijd wordt de identificatiecode van de responderschakeling door middel van het periodiek dempen van de resonantiekring, uitgezonden.

De energie voor de schakeling wordt eveneens gebruikt voor de thermometer in de responder. De thermometer is uit gerust met een nauwkeurig analoog uitgevoerde meetschakeling met een hierbij noodzakelijk gestabiliseerde voeding. De temperatuurcode welke wordt verkregen van de meetschakeling, kan eveneens via het resonantiecircuit door de zend/ontvanger worden gelezen.

De sensor in de thermometer wordt gevormd door een NTC-weerstand die een zeer grote gevoeligheid heeft voor kleine temperatuurvariaties. De NTC-weerstand kan daardoor bij uitstek gebruikt worden voor nauwkeurige metingen in een klein temperatuurgebied.

Het weerstandgedrag van de NTC-weerstand is een exponentiële functie van de temperatuur. Wanneer een temperatuur-onafhankelijke weerstand (Roff = offsetweerstand) in serie wordt geschakeld met de NTC-weerstand dan krijgt het geheel over een temperatuurgebied van circa 15°C een nagenoeg lineaire overdracht van temperatuur naar weerstand. De in dit temperatuurgebied resulterende meetfout is verwaarloosbaar aangezien de toegestane meetfout +/- 0.1°C bedraagt.

Als gevolg van het lineaire gedrag tussen temperatuur en de combinatie van twee weerstanden is het mogelijk om in het beperkte temperatuurgebied nauwkeurig de absolute temperatuur te bepalen. Bij het meten van deze (absolute) temperatuur wordt het geheel van Roff en Rntc vergeleken met een referentieweerstand Rref. Door de juiste keuze van de NTC- en referentieweerstand is het meetbereik van de thermometer instelbaar over een groot temperatuurgebied. In het gewenste meetgebied moet in het midden daarvan bij een temperatuur x, de NTG-weerstandwaarde gelijk zijn aan de referentieweerstand. Voorts dient conversiefaktor B van temperatuur naar weerstand nauwkeurig vast te liggen. B is een materiaal-constante welke wordt gekozen tijdens de fabricage van de weerstand. Indien tijdens het fabricageproces de absolute waarde van zowel de NTC- als de refe-rentie-weerstand een geringe tolerantie heeft, dan behoeft er geen afregeling van de weerstanden meer plaats te hebben.

De elektronische schakeling van de thermometer heeft tot taak de NTC- en de referentie-weerstand met elkaar te vergelijken. De schakeling kan daarbij functioneren met het beschikbare vermogen van circa 10 μν.

Bij de overdracht van de temperatuurinformatie via het elektromagnetische veld dient de temperatuur in digitale vorm beschikbaar te zijn. De thermometer levert een digitaal getal n waarvoor geldt: n = 1 + [ 384 * (Rref + Roff) / (Rntc + Roff) ] waarbij Rntc = R0 * exp( B * (1/T - 1/Tref)) R0 = weerstandswaarde van de NTC-weerstand bij referentietemperatuur Tref Rref = weerstandswaarde van de referentieweerstand Roff ~ weerstandswaarde van de offsetweerstand met [..] = integerwaarde van het omsloten formuledeel

Bij de juiste keuze van Rref, Roff en Rntc komt bovenstaande formule overeen met: n = [ 10 * ( T - Tref ) + 385 ]

De zogenaamde offsetweerstand is in de praktijk slechts een rekengrootheid en is in de werkelijke thermometer niet aanwezig.

Tijdens een resetperiode wordt met behulp van de referentie-weerstand een offset-spanning gegenereerd en opgeslagen in een geheugen. Deze spanning heeft dezelfde waarde als de spanning over een denkbeeldige offsetweerstand tijdens de meetperiode. Vervolgens wordt deze spanning elektronisch opgeteld bij de spanning over de NTC-weerstand. Uiteindelijk heeft dit tot gevolg dat de rest van de schakeling gelijk reageert als bij een werkelijke serieschakeling van NTC- en offset-weerstand.

Aan de hand van enkele figuren zal de vinding nader worden beschreven.

Figuur 1 toont het principe van de temperatuuropnemer.

Op de in figuur 1 aangegeven data-outputs staat, nadat de bewerking is afgelopen, de gemeten temperatuur in binaire vorm. De aangegeven 7 bits kunnen Ü - 128 verschillende getallen vormen zodat het meetbereik bij een nauwkeurigheid van 0.1°C gelijk is aan 128/10 = 12.8° C. De digitale code wordt vervolgens in een binaire of een andere willekeurige code-vorm gecombineerd met een digitale identificatiecode in het respondergeheugen. De complete code kan daarna via veldmodulatie worden overgedragen aan een verwerkingseenheid.

De schakeling begint te werken nadat de reset-ingang logisch 0 is geworden. Met behulp van een kloksignaal begint de binaire teller (IC1) te tellen vanaf de resetwaarde 0. De schakelaars ES4 en ES5 zijn nu gesloten via N5, N7, N8 en N10. ES11 is hierbij gesloten. Er loopt nu een stroom Io door de weerstand Rref. Dit veroorzaakt een spanning over deze weerstand welke wordt overgedragen op Cl. ESI en ES2 worden na elkaar in het ritme van de klok geopend en gesloten. Hierdoor wordt Cl telkens opgeladen via ESI en ontladen via ES2. De hierbij wegvloeiende lading wordt opgeslagen in C2 waarover de spanning stijgt. Via A2 wordt de spanning over C2 gekopieerd over C3 totdat IC1 de stand 384 heeft bereikt. In deze situatie opent ES5 waardoor de de spanning over C3 niet meer kan wijzigen. Via N4, N6, N7 en N10 wordt de schakeling gereset. Hierbij worden via ES7, ES8 en ES2 de condensatoren Cl en C2 ontladen. Via de schakelaars ES10 en ES13 wordt een schakeling in werking gesteld, waarmee C4 wordt opgeladen tot een spanning die gelijk is aan de offset van Al plus Roff * Io. Voor een juiste werking van de schakeling mag -de versterker Al geen offset hebben. De offset compensatie van Al en de offset-generatie voor de goede lineariteit worden in één schakeling gecombineerd, waardoor de maximaal optredende fout in de uiteindelijke meetwaarde minimaal zal zijn.

Aangekomen in stand 512 (IC1) eindigt de resetperiode en start de werkelijke meting. ES3 en ES6 zijn nu gesloten terwijl ES4 is geopend. Hierdoor loopt de stroom Io door Rntc in plaats van Rref waardoor de spanning over Cl een andere waarde kan hebben dan tijdens de tellerstand 0-384. Dit heeft gevolgen voor de snelheid waarmee C2 zal opladen. Voor temperaturen boven Tref zal Rntc kleiner zijn dan Rref. Hierdoor is Vel kleiner en zijn er meer dan 384 klokpulsen nodig voordat Vc2 = Vc3.

Wanneer nu Vc2 = Vc3, klapt de als comparator geschakelde A2 om en stopt via ES6 de teller. De nu bereikte tellerstand is afhankelijk van de temperatuur. Na aftrekken van de startwaarde 512 zal bij temperaturen lager dan Tref de waarde kleiner zijn dan 384, terwijl voor temperaturen hoger dan Tref de waarde juist groter dan 384 zal zijn.

In figuur 2 zijn enkele spanningsvormen als functie van de tijd van een aantal belangrijke signalen in de temperatuurmeter weergegeven. In figuur 2a is teller IC1 aangegeven die in stappen van 250 ps vanaf startwaarde 0 tot een zekere waarde oploopt, welke waarde afhankelijk is van de temperatuur. Het in fig. 2 decimaal gepresenteerde getal is in werkelijkheid een binair getal dat wordt aangegeven door de uitgangen Q1 tot Q10 van IC1.

In figuur 2b is de reset weergegeven welke wordt bestuurd door de externe logica. De resetwaarde bepaalt het moment waarop de meting start. In deze figuur begint de meting bij de overgang van resetwaarde 1 naar 0.

Figuur 2c toont de spanning, en de variatie daarin, over condensator Cl. Bij Rref is deze spanning temperatuur-onafhankelijk. Bij Rntc is de spanning een functie van de temperatuur.

In figuur 2d wordt weergegeven het spanningsverloop over condensator C2 als functie van de stand waarin IC1 zich bevindt. De helling van tellerwaarde 0 tot 384 wordt bepaald door de referentieweerstand en is dus onafhankelijk van de temperatuur.

De spanning over C3, in figuur 2e schematisch weergegeven, volgt Vc2 van tellerwaarde 0 tot 384, waarna de spanning wordt onthouden. De NTC-weerstand levert de curve tussen 512 en 832..959. Wanneer de meting stopt en bij welke tellerstand tussen 832 en 959, hangt af van de NTC-weerstand-waarde en derhalve van de temperatuur. Het enige criterium dat voor beëindiging geldt is het gelijk zijn van spanning Vc2 en Vc3. Onder deze conditie wordt EN in figuur 2f hoog en stopt de teller. De tellerstand tussen 832 en 959 is een maat voor de gemeten temperatuur. Wanneer de teller niet in het aangegeven gebied tot stilstand komt wordt de aangegeven waarde van de teller als temperatuur buiten beschouwing gelaten.

Als voorbeeld voor een elektronische opnemer met meetschakeling is gebruikt een NTC-weerstand voor het bepalen van temperaturen. Het exponentiële karakter van deze weerstand wordt gebruikt in de meetschakeling. Indien een opnemer is gewenst voor bijvoorbeeld het meten van de lichtintensiteit, kan daarvoor een light dependent resistor (LDR) worden gebruikt. Ook andere niet-lineaire weerstanden kunnen worden gebruikt. Noodzakelijk is dan dat de meetschakeling wordt aangepast, evenwel zonder dat de wezenlijke kenmerken van de inrichting worden gewijzigd. Bijvoorbeeld is dat het geval bij drukafhankelijke weerstanden of elektrolithische oplossingen die zich als weerstand gaan gedragen.

Claims (6)

1. Een inrichting voor het elektronisch meten van waarden, bijvoorbeeld van temperaturen, door middel van een elektrische meet-schakeling verbonden met een opnemer met het kenmerk dat de schakeling en opnemer geïntegreerd zijn in de responder en dat de meetschakeling in bedrijf haar voedingsspanning verkrijgt van de resonantieketen van de responder, en dat de actuele gemeten waarden, welke waarden door de elektronische schakeling in een digitale code worden geconverteerd, tesamen met de identificatiecode van de responder door middel van het periodiek dempen van de resonantiekring naar de uitleeseenheid worden gezonden.

2. Een inrichting voor het elektronisch meten van temperatuurwaarden volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de temperatuurwaarde telkens opnieuw wordt bepaald door vergelijking van twee spanningen die zijn verkregen door herhaald optellen van een in een condensator opgeslagen lading, waardoor een stapsgewijze spanning ontstaat over een tweede condensator.

3. Een inrichting voor het elektronisch meten van temperatuurwaarden volgens conclusie 2 met het kenmerk dat de lading in de condensator van de temperatuurschakeling wordt bepaald door in eerste instantie de waarde van een referentieweerstand en in tweede instantie door de waarde van een temperatuurafhankelijke weerstand.

4. Een inrichting voor het elektronisch meten van temperaturen volgens conclusie 2 met het kenmerk dat het resultaat van de eerste meting van de referentieweerstand analoog wordt onthouden als een spanning over een derde in de temperatuurschakeling opgenomen condensator.

5. Een inrichting voor het elektronisch meten van temperaturen volgens conclusie 2 met het kenmerk dat de elektronische schakeling tijdens de reset-periode zodanig wordt ingesteld dat zijn bijdrage aan de meetfout minimaal wordt en dat tevens de lineariteit van de meetschakeling wordt geoptimaliseerd.

6. Een inrichting volgens één of meer der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de responder, opnemer en meetschakeling gerealiseerd kunnen worden in een low voltage MOS IC proces.