WO2008014922A1 - Schaltung zur besseren gleichlaufunterdrückung bei galvanisch direkt gekoppelten temperaturverstärken - Google Patents

Schaltung zur besseren gleichlaufunterdrückung bei galvanisch direkt gekoppelten temperaturverstärken Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a circuit for better synchronization suppression in galvanically directly coupled temperature amplifiers, wherein a temperature sensor is connected via two leads to a differential amplifier with high gain.
  • Temperature sensors are used for example in injection molding machines for determining the mold temperature or the inner wall of the cavity. Such a temperature sensor is described for example in DE 102 58 100 A1.
  • a thermocouple always consists of two wires of different materials that form a thermocouple and are welded together at one end.
  • a thermostating amplifier downstream of the evaluation must be used, which requires a very high voltage gain and must have a very small offset. If very fast temperature changes have to be detected, the temperature sensor must be galvanically connected to the casing of the sample. In this case, all interferences from this measurement are coupled directly to a high-sensitivity, high-gain differential amplifier, so that very often the synchronization suppression is no longer sufficient to be able to keep the interference away from the measurement signal.
  • These are usually ground loops, which are caused by the fact that several machine parts, which are grounded differently, are involved in the measurement of the temperature.
  • EP 0 455 629 B1 discloses a way in which the coupling of such disturbances can be prevented by simply using an insulating light guide for data transmission.
  • a measuring amplifier converts the temperature signal into a frequency by means of a VCO (voltage-controlled oscillator), which is then optically transmitted.
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • the object of the invention is to design a circuit for noise suppression, which can produce a high synchronization suppression without further modulators, so that the measurement signals in galvanic coupling also not or only very slightly disturbed by Erdsch convincedstörvolutionen.
  • the equalization behavior of amplifiers gets better as the gain gets smaller. Therefore, the signal amplification, which amplifies the temperature signals, separated into at least two parts to realize the task.
  • the disturbance voltage is added to the operating voltage. This automatically makes the noise signal at the differential input of the amplifier 0.
  • the second differential amplifier which may also consist of several stages, only a small gain is effected, so that the synchronization behavior is much better.
  • the ground loop noise signal is not electrically applied to the first high gain differential amplifier to enhance the poor tracking performance of this first differential amplifier, but is passed to the second differential amplifier, which has much better tracking suppression behavior due to its low gain.
  • the operating voltage of the first differential amplifier is isolated from the operating voltage of the second differential amplifier.
  • the isolated voltage is then connected, for example with three resistors to the voltage of the second differential amplifier so that the entire first differential amplifier with respect to the operating voltage with the interference floats.
  • the first amplifier is connected only by resistors to the operating voltage of the second amplifier. Large capacitors could then keep the operating voltage constant as the first amplifier floats.
  • the resistor could also be a coil in this case.
  • Essential for the innovation is only the idea that the first differential amplifier with the disturbance mitschwimmt.
  • the novelty of this invention is that without additional modulators a quasi-isolating structure can be constructed very inexpensively, in which no aging phenomena of the modulator worsen the measurement result.
  • Figure 1 is a block diagram representation of an inventive circuit for better synchronization suppression in galvanically directly coupled temperature amplifiers
  • FIG. 2 shows a block diagram representation of another embodiment of a circuit according to FIG. 1
  • FIGS. 1 and 2 show a temperature sensor 1 in an only indicated form 2 of an injection molding machine. This is a fast, uninsulated sensor. This temperature sensor 1 is with a
  • This first differential amplifier 5 is operated with an operating voltage UB 1. This operating voltage UB 1 is isolated from other operating voltages.
  • the differential amplifier 5 has four terminals. An output 11 is connected directly to the positive pole of the second differential amplifier 10, another
  • the first differential amplifier 5 is a high gain differential amplifier, because of the high gain, skew is only +/- 0.3V. In the low gain second differential amplifier 10, the skew is +/- 200V due to low gain.
  • the interference signal is automatically made to zero.
  • the first operating voltage UB 1 must be isolated from the second operating voltage UB 2 of the differential amplifier 10. The isolated voltage UB 1 is then connected, for example via the three resistors R 1 and R 2 to the operating voltage UB 2 so that the entire first differential amplifier 5 with respect to the operating voltage with the interference swims.

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Abstract

Bei einer Schaltung zur besseren Gleichlaufunterdrückung bei galvanisch direkt gekoppelten Temperaturverstärkern, wobei ein Temperatursensor (1) über zwei Zuleitungen mit einem Differentialverstärker (5) mit hoher Verstärkung verbunden ist, soll über eine dritte Leitung (6) im Temperaturkabel von dem Temperatursensor (1) eine Erdschlaufenstörspannung, welche Gleichlaufprobleme im Differentialverstärker (5) verursacht, direkt an einen zweiten Differentialverstärker (10) weitergeleitet werden.

Description

GLEICHLAUFUNTERDRÜCKUNG BEI GALVANISCH DIREKT GEKOPPELTEN TEMPERATURVERSTÄRKERN
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur besseren Gleichlaufunterdrückung bei galvanisch direkt gekoppelten Temperaturverstärkern, wobei ein Temperatursensor über zwei Zuleitungen mit einem Differentialverstärker mit hoher Verstärkung verbunden ist.
Stand der Technik
Temperatursensoren werden beispielsweise in Spritzgiessmaschinen zur Ermittlung der Werkzeugtemperatur oder der Innenwand der Kavität benutzt. Ein derartiger Temperatursensor wird beispielsweise in der DE 102 58 100 A1 beschrieben. Ein Thermoelement besteht immer aus zwei Drähten unterschiedlicher Materialien, die ein Thermopaar bilden und an einem Ende miteinander verschweisst werden. Bei der Temperaturmessung muss ein zur Auswertung nachgeschalteter Thermospannungsverstärker verwendet werden, welcher eine sehr hohe Spannungsverstärkung benötigt und einen sehr kleinen Offset haben muss. Wenn sehr schnelle Temperaturänderungen erfasst werden müssen, muss der Temperatursensor galvanisch am Gehäuse des Messlings verbunden sein. In diesem Fall werden alle Störungen von diesem Messung direkt auf einen hochempfindlichen stark verstärkenden Differentialverstärker eingekoppelt, so das die Gleichlaufunterdrückung sehr oft nicht mehr reicht, um die Störungen vom Messignal fern halten zu können. Meistens handelt es sich dabei um Erdschlaufen, welche dadurch entstehen, dass mehrere Maschinenteile, die unterschiedlich geerdet sind, an der Messung der Temperatur beteiligt sind.
Die EP 0 455 629 B1 gibt einen Weg an, wie die Einkopplung solcher Störungen verhindert werden kann, indem zur Datenübertragung einfach ein isolierender Lichtleiter verwendet wird. Dazu wandelt ein Messverstärker mittels einer VCO (spannungsgesteuerter Oszillator) das Temperatursignal in eine Frequenz um, die dann optisch übertragen wird. Bei derartigen Systemen wird allerdings durch Alterungsprozesse im Modulator sehr schnell der genaue Bezugspunkt verloren. Ausserdem ist ein weiteres modulierendes Bauteil in der Messkette vorhanden, welches Fehler hervorrufen kann und Kosten verursacht.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Störspannungsunterdrückung zu entwerfen, die ohne weitere Modulatoren eine hohe Gleichlaufunterdrückung erzeugen kann, so dass die Messsignale bei galvanischer Kopplung ebenfalls nicht oder nur sehr wenig durch Erdschlaufenstörspannungen gestört werden. Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass über eine dritte Leitung im Temperaturkabel von dem Temperatursensor eine Erdschlaufenstörspannung, welche Gleichlaufprobleme im Differentialverstärker verursacht, direkt an einen zweiten Differentialverstärker weitergeleitet wird.
Die Idee besteht dabei darin, dass das Gleichlaufverhalten von Verstärkern besser wird, wenn die Verstärkung kleiner wird. Deshalb wird zur Realisierung der Aufgabenstellung die Signalverstärkung, welcher die Temperatursignale verstärkt, in mindestens zwei Teile getrennt. In dem hochverstärkenden Differentialverstärker erfolgt eine Addition der Störspannung auf die Betriebsspannung. Damit wird das Störsignal am Differentialeingang des Verstärkers automatisch zu 0 gemacht. In dem zweiten Differentialverstärker, der auch aus mehreren Stufen bestehen kann, wird nur eine kleine Verstärkung bewirkt, so dass das Gleichlaufverhalten wesentlich besser ist.
Das Erdschlaufenstörsignal liegt somit elektrisch nicht am ersten hochverstärkenden Differentialverstärker an, um das schlechte Gleichlaufunterdrückungsverhalten dieses ersten Differentialverstärkers zu verbessern, sondern wird an den zweiten Differentialverstärker weitergeleitet, der infolge seiner niedrigen Verstärkung ein wesentlich besseres Gleichlaufunterdrückungsverhalten aufweist.
Um die Addition der Störspannung auf die Betriebsspannung des Differentialverstärkers realisieren zu können, wird die Betriebsspannung des ersten Differentialverstärkers gegen die Betriebsspannung des zweiten Differentialverstärkers isoliert. Die isolierte Spannung wird dann z.B. mit drei Widerständen an die Spannung des zweiten Differentialverstärkers so angebunden, dass der gesamte erste Differentialverstärker bezüglich der Betriebsspannung mit der Störung mitschwimmt. Für die Anbindung der beiden Betriebsspannungen untereinander sind aber auch andere schaltungstechnische Kombinationen möglich. So ist durchaus denkbar, dass der erste Verstärker nur durch Widerstände mit der Betriebsspannung des zweiten Verstärkers verbunden ist. Grosse Kondensatoren könnten dann die Betriebsspannung konstant halten, wenn der erste Verstärker schwimmt. Der Widerstand könnte in diesem Fall auch eine Spule sein. Wesentlich für die Neuerung ist nur die Idee, dass der erste Differentialverstärker mit der Störung mitschwimmt.
Wie dieses Schwimmen der Betriebspannung erreicht wird, ist für die Verbesserung der Eigenschaften des Systems unerheblich. Der Neuheitsgrad dieser Erfindung besteht darin, das ohne zusätzliche Modulatoren ein quasiisolierender Aufbau sehr kostengünstig aufgebaut werden kann, bei dem keine Alterungserscheinungen des Modulators das Messergebnis verschlechtern.
Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Figur 1 eine blockschaltbildliche Darstellung einer erfindungsgemässen Schaltung zur besseren Gleichlaufunterdrückung bei galvanisch direkt gekoppelten Temperaturverstärkern;
Figur 2 eine blockschaltbildliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schaltung gemäss Figur 1.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Temperatursensor 1 in einer nur angedeuteten Form 2 einer Spritzgiessmaschine gezeigt. Dabei handelt es sich um einen schnellen, unisolierten Sensor. Dieser Temperatursensor 1 ist mit einem
Pluspol 3 und einem Minuspol 4 mit einem ersten Differentialverstärker 5 verbunden, in dem eine erhebliche Verstärkung eines eingehenden
Temperatursignals erfolgt. Dieser erste Differentialverstärker 5 wird mit einer Betriebsspannung UB 1 betrieben. Diese Betriebsspannung UB 1 ist isoliert gegenüber anderen Betriebsspannungen.
Erfindungsgemäss führt vom Temperatursensor 1 eine dritte Leitung 6, welche strichpunktiert angedeutet ist, im Temperaturkabel einmal über eine Erdleitung 7 oder Schirm zu einer analogen Masse 8 für alle Messkanäle und über eine weitere Leitung 9 zu einem zweiten Differentialverstärker 10, der mit einer Betriebsspannung UB 2 betrieben wird.
Der Differentialverstärker 5 besitzt vier Anschlüsse. Ein Ausgang 11 ist direkt mit dem Pluspol des zweiten Differentialverstärkers 10 verbunden, ein anderer
Ausgang 12 direkt mit dem Minuspol. Zwei weitere Eingänge (Supply) 13 und
14 sind miteinander über zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren 15 und 16 verbunden, wobei parallel zu den Kondensatoren 15 und 16 jeweils ein Widerstand R 1 angeordnet ist. Zwischen den beiden Widerständen R 1 und R 1 und den beiden Kondensatoren 15 und 16 befindet sich eine Verbindungsleitung 17, von der eine Abzweigleitung 18 zu der Leitung 9 führt. Die Leitung 9 und die Abzweigleitung 18 liegen im Anschluss daran direkt auf Masse 19. Vor der Masse 19 führt aber die Leitung 9 noch über einen Widerstand R 2 weiter zu dem zweiten Differentialverstärker 10 und zu der analogen Masse 8.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist Folgende:
Da es sich bei dem ersten Differentialverstärker 5 um einen hochverstärkenden Differentialverstärker handelt, beträgt eine Gleichlaufunterdrückung wegen der hohen Verstärkung nur +/- 0,3 V. Bei dem niedrig verstärkenden zweiten Differentialverstärker 10 beträgt dagegen die Gleichlaufunterdrückung wegen niedriger Verstärkung +/- 200 V.
Durch Addition der Störspannung Istör wegen Erdschlaufenstrom auf die Betriebsspannung UB 1 am Differentialeingang des ersten Differentialverstärkers 5 wird automatisch das Störsignal zu Null gemacht. Um die Addition der Störspannung auf die Betriebsspannung UB 1 des ersten Differentialverstärkers 5 realisieren zu können, muss die erste Betriebsspannung UB 1 gegen die zweite Betriebsspannung UB 2 des Differentialverstärkers 10 isoliert sein. Die isolierte Spannung UB 1 wird dann zum Beispiel über die drei Widerstände R 1 bzw. R 2 an die Betriebsspannung UB 2 so angebunden, dass der gesamte erste Differentialverstärker 5 bezüglich der Betriebsspannung mit der Störung mitschwimmt.
Für die Anbindung der beiden Betriebsspannungen UB 1 und UB 2 untereinander sind aber auch andere schaltungstechnische Kombinationen möglich. So ist durchaus denkbar, dass der erste Differentialverstärker 5 nur durch Widerstände mit der Betriebsspannung UB 2 des zweiten Differentialverstärkers 10 verbunden ist. Dies ist in Figur 2 gezeigt. Große Kondensatoren 15 und 16 können dann die Betriebsspannung konstant halten, wenn der erste Differentialverstärker 5 schwimmt. Der Widerstand R 2 könnte in diesem Fall auch eine Spule sein.
DR. PETER WEISS, DIPL-ING. A. BRECHT & DIPL-FORSTW. PETRA ARAT
Patentanwälte European Patent Attorney
Aktenzeichen: P 3546/EP Datum: 25.07.2006 W/TF/ST
Positionszahlenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Schaltung zur besseren Gleichlaufunterdrückung bei galvanisch direkt gekoppelten Temperaturverstärkern, wobei ein Temperatursensor (1) über zwei Zuleitungen mit einem Differentialverstärker (5) mit hoher Verstärkung verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass über eine dritte Leitung (6) im Temperaturkabel von dem Temperatursensor (1) eine Erdschlaufenstörspannung, welche Gleichlaufprobleme im Differentialverstärker (5) verursacht, direkt an einen zweiten Differentialverstärker (10) weitergeleitet wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erdschlaufenstörspannung am ersten Differentialverstärker (5) direkt auf die Betriebsspannung UB1 des ersten Differentialverstärkers (5) aufaddiert wird.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufaddierung der Erdschlaufenstörspannung auf die Betriebsspannung UB1 die Betriebsspannung UB1 des ersten Differentialverstärkers isoliert zur zweiten Betriebsspannung UB2 des zweiten Differentialverstärkers (10) ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung UB2 des zweiten Differentialverstärkers (10) nicht isoliert ist.
5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese isolierte Betriebsspannung UB1 mit einem Spannungsteiler R1/R1 vorzugsweise halbiert wird, damit die Signaleingangsspannung des ersten Differentialverstärkers (5) innerhalb seiner Betriebsspannung UB1 liegt.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch zwei Kondensatoren (15, 16) parallel zu den beiden Widerständen R1/R1 das Gleichlaufstörsignal am Differentialverstärker (5) noch weiter verringert wird.
7. Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anbindung der isolierten Betriebsspannung UB1 an die nicht isolierte Betriebsspannung UB2 ein Widerstand R2 verwendet wird, der mindestens 500 mal grösser ist als der Widerstand der Zuleitung (9) vom Temperatursensor (1 ) zum zweiten Differentialverstärker (10).
8. Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Differentialverstärker in Serie geschaltet werden, wobei das Störsignal gleichzeitig am Eingang und an der Betriebsspannung des hochverstärkenden Differentialverstärkers (5) angeschlossen ist.
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