WO2010049298A1 - Widerstandsmessung eines von einer messgrösse abhängigen widerstandselements - Google Patents

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WO2010049298A1
WO2010049298A1 PCT/EP2009/063630 EP2009063630W WO2010049298A1 WO 2010049298 A1 WO2010049298 A1 WO 2010049298A1 EP 2009063630 W EP2009063630 W EP 2009063630W WO 2010049298 A1 WO2010049298 A1 WO 2010049298A1
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voltage divider
voltage
electronic switch
resistance
resistor
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PCT/EP2009/063630
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Inventor
Thomas Nagel
Hendrik Zeun
Original Assignee
Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/20—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit
    • G01K7/206—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit in a potentiometer circuit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/045—Circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/08—Measuring resistance by measuring both voltage and current

Definitions

  • the invention relates to a method for resistance measurement of a resistance element dependent on at least one chemical and / or physical measured variable and to a device for resistance measurement of a resistance element dependent on at least one chemical and / or physical measured variable
  • temperatures are often determined by temperature-dependent resistance elements, a standard element for this is the PT100 resistance element
  • pressure and moisture-sensitive resistance elements are known From the Offenlegungsschnft DE 2240286, for example, such a pressure-sensitive resistor element has become known
  • the most accurate variant is the four-wire measuring system, in which the current and measuring paths are completely separated.
  • a simpler variant is the three-bit measuring technique, in which the current and measuring paths are combined at the input and output side of the resistor element.
  • the simplest configuration is the two-wire measurement, on the input side as well as output side coincide current and measurement path
  • the calibration of such a measuring device must be carried out or repeated at certain intervals.
  • the drift of the measuring signal is tolerated by the stress on the sensor element, in particular the resistance element depending on the measuring variable
  • the drift of the measuring signal can also arise due to the electronic components contained in the measuring device to such components, which are subject to, for example, a temperature-induced drift include, for example amplifier circuits which include an operational amplifier To certain tolerances Therefore, the meter should be calibrated at intervals specified by the manufacturer
  • a calibration may require a shutdown of the system or an interruption of the measuring process, which may result in a loss of production or a loss of process monitoring and thus financial losses
  • the invention therefore has the object of enabling the resistance measurement of a resistance element dependent on a chemical and / or physical measured quantity to be independent of the drift of an electrical and / or electronic component 7U
  • the object is achieved by a method and an apparatus
  • a first voltage divider is formed from at least a first reference resistor and a measuring resistor, wherein by means of an amplifier circuit a falling over the first voltage divider sub-voltage is amplified, wherein a second voltage divider of at least a second reference resistor and the measuring resistor wherein a partial voltage dropping across the second voltage divider is amplified by means of the amplifier circuit, wherein a second voltage divider is formed from at least the resistance element and the measuring resistor depending on the chemical and / or physical measured variable, wherein a voltage drop across the third voltage divider by means of the amplifier circuit Partial voltage is amplified, wherein at least the values of the over the first, second and third voltage divider sloping and amplified partial voltages and the values of the first and the z reference resistance and the resistance of the resistance of the physical and / or chemical Mes ⁇ große dependent resistance element is determined
  • Partial voltages, the resistance value of the dependent of the chemical and / or physical measurand resistance element can be determined without that, for example, the
  • Resistive element thereby independent of, for example, the operating voltage, the gain factor and the offset of the amplifier circuit. A calibration then only has to be carried out with a drift of the resistance element, but not due to a drift of the electronics
  • the determination of the resistance value of the resistance element dependent on the chemical and / or physical measured variable can be made by a system of equations of at least three
  • Equations are made.
  • the system of equations comprises the known quantities of the first and second reference resistors and the measuring resistor, and the partial voltages dropped and amplified across the first, second and third voltage dividers.
  • the unknown quantities of the equation system form the resistance value of the resistive element dependent on the measured variable and the characteristic quantities relevant for the calculation the amplifier circuit.
  • the equation system can be implemented, for example, in a computer program and the computer program can be executed by a microcontroller
  • the voltage drop across different voltage dividers is measured in order to reduce and / or eliminate the characteristic values of the amplifier circuit required for calculating the measured value, which voltage drop across the measuring path depends on.
  • the values of the partial voltages determined using the various voltage dividers then serve as the solution of the equation system
  • the inventive method can also be used in the above-mentioned two, three or four-wire measurement
  • a temperature-dependent resistance element is used as the resistance element, which depends on a chemical and / or physical measured variable.
  • the circuit is suitable for a multiplicity of resistance elements, such as Piatmfuhler, with positive temperature coefficient PTC s (Positive Temperature Coefficient) or Negative Temperaturkoeffiz ⁇ te ⁇ NTC s (Negative Temperature Coefficient Thermistors) can be used
  • the first second and third voltage divider is set by means of an electronic switch wherein the electronic switch has at least one resistance value.
  • an electronic switch can be used to set the various voltage dividers.
  • the electronic switch is connected, for example, to a micro processor or a microcontroller.
  • the setting of the voltage dividers for determining a measured value of the chemical element and / or physical quantity dependent resistance element can then be carried out by the multiplexing unit to the electronic switch are, for example a circuit board printed circuit boards or
  • connection cables connected on the input side and output side and connected to the measuring resistor, with the first and second reference resistor and with the dependent of the measurement resistance element These connection lines then form the various voltage divider between which switches the electronic switch For a multiplex unit is particularly suitable, which has several parallel applied Signaie in a sequential order
  • the partial voltage dropping across the first, second and third voltage dividers is tapped after the electronic switch.
  • the voltage dividers connected in this way, the first and the second reference resistance and the resistance of the resistance element element dependent on the measured variable can be measured by a corresponding position of the electronic switch.
  • etn fourth voltage divider is set via at least the second reference resistor, the electronic shaper and the measuring resistor, wherein the partial voltage dropping across the fourth voltage divider is tapped before the electronic switch, wherein by means of the amplifier circuit, the partial voltage dropping across the fourth voltage divider is amplified
  • the fourth voltage divider can be used to determine the resistance of the electronic switch
  • the resistance value of the electronic switch is determined from at least the partial voltage dropping across the fourth voltage divider and amplified.
  • the resistance of the electronic switch can be determined by comparing the partial voltages determined via the second and the fourth voltage divider. A measurement of the resistance value of the resistance element dependent on the measured variable can then be carried out independently of the resistance of the electronic switch determines this aforementioned manner and a correspondingly corrected resistance value of the dependent of the measured variable resistance element can be determined.
  • the object is achieved by a device having at least one electronic switch, wherein the electronic switch has at least one resistance value, wherein the electronic switch serves a first
  • the device can eliminate the influence of drift of the electronic components subject to such drift, for example, as a result of a temperature change or due to erosion or due to a fluctuating operating voltage.
  • the advantage of this is that the measurement of the resistance of the chemical and / or or physical Measured size dependent resistive element can be specified by the proposed device
  • the tapping off of the partial voltage dropping across the second voltage divider takes place after the electronic switch, and the tapping off of the partial voltage dropping across the fourth voltage divide occurs in front of the electronic switch.
  • the resistance value of the electronic switch can be determined by is compared across the second and fourth voltage divider dropped partial voltage
  • the electronic switch consists of at least one Multipiexech.
  • a Multiplexemheit is conveniently producible or to acquire and can be controlled, for example.
  • the measurement accuracy can be improved because the measured value of the dependent of the measured variable resistance element is no longer dependent on the ohmic resistance of the electronic switch
  • At least one series resistor is provided, which serves to limit the voltage applied to the electronic switch current.
  • additional resistors in series with the feeler element.
  • the values of these resistors are usually not very accurate, since they do not serve a primary measurement purpose but only the observance of certain voltage and / or current limits. By the proposed device these protective resistors can still be used without seriously distorting the measurement signal.
  • the series resistor is part of the first, second, third and / or fourth voltage divider. Depending on the application, it may be necessary to integrate the first or second series resistor into one of the voltage dividers.
  • An advantage of the proposed device is that the series resistor can be accurately determined by means of the various voltage dividers
  • the amplifier circuit essentially consists of an operational amplifier, which is supplied with an operating voltage and has a defined amplification factor and an offset.
  • An amplifier circuit can be implemented simply and inexpensively by a suitably connected operational amplifier.
  • the characteristic variables, inter alia, operating voltage, amplification factor and offset of an operational amplifier However, due to the design, they are subject to certain fluctuations.
  • the measured value of the resistance element dependent on the measuring variable determined by the proposed device can be determined independently of the characteristic variables and their fluctuations
  • the amplifier circuit is followed by an analog-to-digital converter, which digitizes an analog measuring signal output from the amplifier circuit.
  • the measuring signal can thereby be digitized and made accessible to digital processing by means of a microprocessor.
  • the device according to the invention can be used for both the offset and the amplification factor of the downstream analog-to-digital converter are eliminated
  • the electronic switch is used to set a fifth voltage divider on the dependent of a chemical and / or physical measuring variable resistance element, the electronic switch, the measuring resistor and the series resistor across which a fifth partial voltage drops, which is amplified by the amplifier circuit
  • this additional fifth voltage divider in addition to the value of the resistance of the electronic switch, the value of the resistance of the first and / or second series resistor can also be determined
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device for determining the temperature by means of a temperature-dependent resistance element
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the set by means of the electronic switch voltage divider of the first embodiment
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the device for determining the temperature by means of a temperature-dependent resistance element
  • FIG 4 shows a circuit diagram of the voltage divider of the second embodiment set by means of the electronic scraper
  • FIG 5 shows a third embodiment of the device for determining the temperature mitteis a temperature-dependent resistive element
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of the voltage divider of the third embodiment set by means of the electronic switch
  • the temperature sensor consists of a platinum wire and has a temperature-dependent resistor RRT
  • the temperature sensor is connected via two Verbmdungs effeten with an electronic switch, in this case a multiplexer M.
  • a multiplexer M Via a first Gebsleitursg the temperature sensor is connected to a first input and a second connection line to a second input of the multiplexer M via the first Verbind ⁇ ngsön the temperature sensor via a first resistor R E ⁇ 1 and the second connection line via a second resistor R EX 2 connected to the multiplexer M.
  • the first connection line makes it possible to make contact with an output side of the multiplexer M arranged measuring resistor R M and the supply potential VDD
  • the second Verbmdungslertung allows contact with an output side of the multiplexer M arranged input of an operational amplifier OPV via a third connection line is the
  • Temperature sensor with the Referenzpotentiai, the ground, connected The connection line between the temperature sensor and the multiplexer M can thereby run over printed conductors of a board and / or connection cables
  • the first and second reference resistors RR 1 , R R 2 are each connected to a first and a second input of the multiplexer M, wherein the first or second reference resistor R 1 the second reference resistor RR 1 , RR 2 can be connected via the first input of the multiplexer M to an input of an operational amplifier OPV arranged on the output side and to the supply potential V DD via the second output via the measuring resistor R M
  • the first and the second reference resistor R R 1 R R 2 are also each connected to a reference potential V DD and to the ground. As a result, a voltage drop from the supply potential V D D to the ground hm is generated
  • the multiplexer M also has an input which is connected to the supply potential VDD via the measuring resistor RM.
  • the measuring resistor RM is connected to the operational amplifier OPV arranged on the output side of the multiplexer M via this input
  • the multiplexer M has a disable output D, by means of which the multiplexer M can interrupt the connection between its input-side and its output-side connections
  • the multiplexer M On the output side, the multiplexer M is connected via a filter F to reduce any interference occurring with an input of an amplifier circuit, which essentially consists of an operational amplifier OPV. Another output of the multiplexer M is connected to the supply potential via the measuring resistor R M ! V 0D and a supply terminal of the operational amplifier OPV.
  • the operational amplifier OPV is operated in the "single supply", ie there is only one of its supply inputs a supply potential VDD Z U ⁇ Verfugung At its second supply input of the operational amplifier OPV is connected to ground Alternatively, the operational amplifier OPV in the "dual supply”, not shown , operate.
  • the operational amplifier OPV is connected on the output side to an analog-to-digital converter ADC, which converts the analog measurement signal into a digital measurement signal.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the digital measurement signal is then forwarded to a microcontroller .mu.C, which, inter alia, processes the measurement signal, the measured value determination and the control of the multipiexer M serves.
  • a first voltage divider is connected across the first voltage divider Reference resistor R R ⁇ 1 , the multiplexer M and the measuring resistor M connected.
  • Em second voltage divider is then connected via the second reference resistor R R 1 l the multiplexer M and the Meßwidersta ⁇ d RM.
  • Em third voltage divider is set by means of the Multipiexers IVI, consists of the measuring resistor RM, the multiplexer M, the first series resistor R E ⁇ i and the temperature-dependent resistor element Em fourth voltage divider as the second voltage divider via the second reference resistor R EX, 2 , the Multipiexer M and the measuring resistor RM connected However, in the fourth voltage divider, the tap of the voltage in front of the multiplexer M (see Figure 2).
  • the accuracy of the value of the resistance RPT of the temperature sensor is thus dependent only on the accuracy of the reference resistance R R 1 , R R 2 , the series resistor R E ⁇ i and the front resistance R M If the boundary condition that the measuring resistance RM is a multiple of the resistance of the temperature sensor and that the series resistor R ⁇ 1 is much smaller than the measuring resistor RM is valid, then the measurement accuracy depends mainly on the tolerance of the reference resistance R R 1 and R R 2
  • the first reference resistor R R is preferably to be selected so that it is close to the lowest value of the resistance Rpy of the temperature sensor.
  • the switch on. high resistance ie the switch interrupts the connection between at least one input and one output, which allows the power dissipation of the circuit to be reduced during phases in which no temperature measurement takes place
  • FIG. 2 shows the voltage divider which has been adjusted by means of the multiplexer M for measuring the resistance RPT of the resistance element
  • Switch position S2 corresponds to the first voltage divider.
  • the first voltage divider consists of the measuring resistor R M , the resistance of the electronic switch and the first reference resistor RR, 1.
  • the voltage tap of the first partial voltage at the first voltage divider is carried out after the measuring resistor RM and the electronic switch between the electronic switch and the first reference resistor R R.
  • the dropped over the first voltage divider at the signal tap Tetlschreib is then supplied to the amplifier circuit
  • Switch position S3 corresponds to the second voltage divider.
  • the second voltage divider consists of the measuring resistor RM, the resistance of the electronic switch and the second reference resistor R R 2 .
  • the second reference resistor RR 2 is connected to ground on the output side.
  • the second partial voltage is tapped after the measuring resistor R M and the electronic switch between the electronic switch and the second reference resistor R R 2 .
  • the dropped over the second voltage divider Operaspannu ⁇ g is passed from Sig ⁇ alabg ⁇ ff to the amplifier circuit
  • Gate position S1 corresponds to the third voltage divider.
  • the third voltage divider consists of the measuring resistor R M , the resistance of the electronic switch and the resistor Rpy of the dependent of the chemical and / or physical Meßgr ⁇ ße resistive element
  • REX I > REX 2 the current or Voltage limiting in explosion hazard zones.
  • the third voltage divider consists of the measuring resistor R M , the electronic switch, the first and second series resistors REX I, REX 2 and the resistance element dependent on the chemical and / or physical measuring variable.
  • the amplifier circuit consisting essentially of an operational amplifier OPV has an input resistance of 10 Mohm
  • the second series resistor R E ⁇ 2 can be neglected in the determination of the resistance value RPT of the resistance element dependent on the chemical and / or physical measured variable Switch position 4 corresponds to the fourth voltage divider
  • the fourth voltage divider consists of the measuring resistor R M) the resistance of the electronic switch and the second reference resistor R R 2
  • the signal tap takes place here in contrast to the second voltage divider after the measuring resistor R M and even before the electronic switch
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the device for determining the temperature by means of a temperature-dependent resistance element
  • the circuit of the voltage divider via two separate multiplexer Mi, M 2 Em first multiplexer M 1 serves to Umschaitung the measuring or current paths through the Mes ⁇ widerstand RM and a second multiplexer M 2 is used for Umschaitung the measurement and current paths through the amplifier circuit
  • the second embodiment is that in addition to the resistance RMUX I of the first multiplexer Mi, the resistance of the first series resistor R EX 1 can be determined For another voltage divider on the temperature-dependent resistor element with the resistor Rp ⁇ , the first series resistor REX I, REX 2 the The voltage drop across the temperature-dependent resistor element and the first series resistor R E ⁇ 1 is measured via this voltage divider. The fifth partial voltage that has fallen off is measured by the first partial multiplexer M 1 and the measuring resistor R M
  • the output voltage is in this case the output at the output of the operational amplifier OPV so dropped over the fifth voltage divider and amplified Teiiunderlying
  • Figure 4 shows a circuit diagram of the five set by means of the first and second electronic switch voltage divider of the second embodiment
  • the first mux M t in position 1 and the second M 2 multiplexer in position 4 The first voltage divider then proceeds from the mecanicspotentiai V ⁇ D on Messwidarstand R M, the first and second multitplexer Mi, M ? and the first one Reference resistor R R -i to ground
  • the first partial voltage is tapped after the first resistor of the first multiplexer R MU ⁇ 1
  • resistor R M u ⁇ 1 of the first multiplexer M 1 is relevant because the second multiplexer M 2 is connected in front of the high-impedance input of the operational amplifier OPV
  • the first multiplexer M 1 in the position 3 and the second multiplexer M 2 in the position 1 This corresponds to the fourth voltage divider, which runs across the measuring resistor R M , the first multiplexer Mi and the second reference resistor R R2 The fourth partial voltage is tapped before the first multiplexer M 1
  • the first multiplexer M 1 in the position 1 and the second multiplexer M 2 in the position 3 This corresponds to the third voltage divider of theinstituspotentiai V D D via the measuring resistor RM, the first multiplexer M 1 , the first series resistor R E ⁇ i, the second series resistor R E ⁇ 2 and the dependent of a chemical and / or physical measurement variable resistance element with the resistor R PT proceeds the third partial voltage is between the first series resistor R E ⁇ i and that of the Measured large depending resistance element tapped and supplied to the amplifier circuit
  • the fifth switch position S 5 corresponds to the fifth voltage divider
  • the fifth voltage divider runs starting from the potentiometer V DD via the measuring resistor R M , the first Muitiplexer M 1 , the first and second series resistor R E ⁇ i R EX 2 and on the dependent of the measured variable Resistance element to ground
  • the fifth partial voltage is thereby tapped between the first multiplexer M 1 and the first series resistor R EX 1.
  • the first series resistor R EX -i can be determined and the measurement result improved.
  • the first multiplexer M 1 is in the Position 1 and the second multiplexer M 2 in position 2
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of a third embodiment of the device for determining the temperature by means of a temperature-dependent resistance element
  • the second multiplexer M 2 requires only four inputs to switch the voltage divider required for a erfmdungsgelaute measurement By the tap between RMUX and REX I , the resistance RM U X * REXI determined and the second multiplexer M 2 requires only 4 instead of 5 switch divisions
  • R E ⁇ I + RM U X can also be determined.
  • the fifth voltage divider then runs via the temperature-dependent resistance element, the first series resistor R E ⁇ i, the first one Multiplexer Mi and the measuring resistor R M The fifth determination is then
  • Figure 6 shows a circuit diagram of the set by means of the electronic switch voltage divider of the third embodiment of the device
  • the first, the second and the third voltage divider run analogously to the voltage dividers shown in FIG. 2 and in FIG. 4 and explained in the corresponding description. Only the switch output of the multiplexers M 1 , M 2 shown in FIG. 6 differs from that in FIG.
  • the fifth voltage divider in the third embodiment runs starting from the supply potential V D D via the measuring resistor RM, the first multiplexer M 1 , the first and second series resistor R EX i, R EX 2 and the dependent of the measured variable resistance element Rp T
  • the fifth partial voltage is tapped between measuring resistor R M and the first multiplexer M 1 Since the second multiplexer SVI 2 is located immediately before the input of the operational amplifier OPV of the amplifier circuit can be neglected its resistance R MUX 2

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Abstract

Verfahren zur Widerstandsmessung eines von mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Messgröße abhängigen Widerstandselements, wobei ein erster Spannungsteiler aus wenigstens einem ersten Referenzwiderstand und einem Messwiderstand gebildet wird, wobei mittels einer Verstärkerschaltung eine über den ersten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird, wobei ein zweiter Spannungsteiler aus wenigstens einem zweiten Referenzwiderstand und dem Messwiderstand gebildet wird, wobei mittels der Verstärkerschaltung eine über den zweiten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird, wobei ein dritter Spannungsteiler aus wenigstens dem von der chemischen und/oder physikalischen Messgröße abhängigen Widerstandselement und dem Messwiderstand gebildet wird, wobei mittels der Verstärkerschaltung eine über den dritten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird, wobei aus wenigstens den Werten der über den ersten, zweiten und dritten Spannungsteiler abfallenden und verstärkten Teilspannungen und den Werten des ersten und des zweiten Referenzwiderstands und des Messwiderstands der Widerstandswert des von der physikalischen und/oder chemischen Messgröße abhängigen Widerstandselements bestimmt wird.

Description

WIDERSTANDSMESSIMG EINES VON EINER MESSGROSSE ABHÄNGIGEN WIDΞRSTANDSELEMENTS
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Widerstandsmessung eines von mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements und eine Vorrichtung zur Widerstandsmessung eines von mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements
In der Prozesstechnik werden Temperaturen häufig über temperaturabhangige Widerstandselemente ermittelt, ein Standardelement hierfür ist das PT100 Widerstandselement Weiterhin sind druck- und feuchtigkeitsempfindliche Widerstandselemente bekannt Aus der Offenlegungsschnft DE 2240286 ist beispielsweise ein solches druckempfindliches Widerstandselement bekannt geworden
Zur Bestimmung des Widerstands sind unterschiedliche Techniken mit unterschiedlicher
Genauigkeit bekannt Die genaueste Variante ist die Vierleitermesstechmk, bei der Strom- und Messpfad völlig getrennt sind Eine einfachere Variante ist die Dreiieitermesstechnik, bei der eingangs- bzw ausgangsseitig des Widerstandselements Strom- und Messpfad zusammengelegt sind Die einfachste Ausgestaltung ist die Zweileitermessung, bei der sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig Strom- und Messpfad zusammenfallen
Aufgrund der bspw in Lebensmitte! verarbeitenden Anlagen notwendigen Sterilisation der Messgerate kann es zu einer Drift des Messsignais kommen, daher ist die Kalibrierung eines solchen Messgerates in bestimmten Intervallen vorzunehmen bzw zu wiederholen Die Drift des Messsignals lasst sich durch die Beanspruchung des Sensorselements, insbesondere des von der Messgroße abhangigen Widerstandselements, bei der Sterilisation oder durch Alterungs- und/oder Abnutzungserscheinungen im Allgemeinen erklaren Die Drift des Messsignals kann aber auch aufgrund der elektronischen in dem Messgerat enthaltenen Bauteile entstehen Zu solchen Bauteilen, die bspw einer temperaturbedingten Drift unterliegen, gehören bspw Verstarkerschaltungen die einen Operationsverstärker beinhalten Um bestimmte Toleranzen einzuhalten, ist das Messgerat daher in vom Hersteller angegebenen Intervallen zu kalibrieren
Eine Kalibrierung erfordert aber unter Umstanden ein Stilllegen der Anlage bzw eine Unterbrechung des Messprozesses, was einen Ausfall der Produktion bzw der einen Ausfall der Prozessuberwachung und somit auch finanzielle Einbußen zur Folge haben kann
Der Erfindung hegt daher die Aufgabe zugrunde die Widerstandsmessung eines von einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements unabhängig von der Drift eines elektrischen und/oder elektronischen Bauteils 7U ermöglichen Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelost
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelost, dass ein erster Spannungsteiler aus wenigstens einem ersten Referenzwiderstand und einem Messwiderstand gebildet wird, wobei mittels einer Verstärkerschaltung eine über den ersten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird, wobei ein zweiter Spannungsteiler aus wenigstens einem zweiten Referenzwiderstand und dem Messwiderstand gebildet wird, wobei mittels der Verstarkerschaltung eine über den zweiten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird, wobei ein dπtter Spannungsteiler aus wenigstens dem von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselement und dem Messwiderstand gebildet wird, wobei mittels der Verstarkerschaltung eine über den dritten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird, wobei aus wenigstens den Werten der über den ersten, zweiten und dritten Spannungsteiler abfallenden und verstärkten Teilspannungen und den Werten des ersten und des zweiten Referenzwiderstands und des Messwiderstands der Widerstandswert des von der physikalischen und/oder chemischen Mesεgroße abhangigen Widerstandselements bestimmt wird
Durch den Vergleich der über die verschiedenen Spannungsteiler abgegriffenen und verstärkten
Teilspannungen kann der Widerstandswert des von der chemischen und/oder physikalischen Messgröße abhängigen Widerstandselements bestimmt werden, ohne dass bspw die
Betriebsspannung, der Verstärkungsfaktor und der Offset der Verstarkerschaltung berücksichtig zu werden braucht oder bekannt sein muss.
Weiterhin ist die Messgenauigkeit des Widerstandswerts des von einer Messgroße abhängigen
Widerstandselements dadurch unabhängig von bspw. der Betriebsspannung, dem Verstärkungsfaktor und dem Offset der Verstarkerschaltung. Eine Kalibrierung muss dann nur noch bei einer Drift des Widerstandelements, nicht aber aufgrund einer Drift der Elektronik, durchgeführt werden
Die Bestimmung des Widerstandswerts des von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements kann über ein Gleichungssystem aus wenigstens drei
Gleichungen erfolgen. Das Gleichungssystem umfasst dabei die bekannten Größen des ersten und zweiten Referenzwiderstands und des Messwiderstaπds, sowie die über den ersten, zweiten und dritten Spannungsteiler abgefallenen und verstärkten Teiispannungen Die unbekannten Größen des Gleichungssystems bilden der Widerstandswert des von der Messgroße abhangigen Widerstandselements und die zur Berechnung relevanten Kenngroßen der Verstärkerschaltung. Zur Losung des Gleichungssystems und/oder zur Bestimmung des Widerstandswerts des Widerstandselernents kann das Gleichungssystem bspw. in ein Computer-Programm implementiert und das Computer-Programm durch einen Mikrocontroller ausgeführt werden Um die zur Berechnung des Messwerts benotigten Kenngroßen der Verstarkerschaltung von denen der Spannungsabfall über den Messpfad abhängt zu reduzieren und/oder zu eliminieren, wird der Spannungsabfall über verschiedene Spannungsteiler gemessen Die über die verschiedenen Spannungsteiler ermittelten Werte der Teilspannungen dienen dann zur Losung des Gleichungssystems
Das erfindungsgemaße Verfahren kann zudem in der eingangs erwähnten Zwei , Drei- oder Vierleitermesstechnik eingesetzt werden
In einer Ausgestaltung wird als Widerstandsβlement, welches von einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhängig ist, ein temperaturabhangiges Widerstandselement verwendet Zudem ist die Schaltung für eine Vielzahl von Widerstandselementen, wie z B Piatmfuhler, mit positivem Temperaturkoeffizieπten PTC s {Positive Temperature Coefficient) oder mit negativem Temperaturkoeffizieπteπ NTC s (Negative Temperature Coefficient Thermistors) einsetzbar
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der erste zweite und dritte Spannungsteiler mittels eines elektronischen Schalters eingestellt wobei der elektronische Schalter mindestens einen Widerstandswert aufweist Typischerweise kann zur Einstellung der verschiedenen Spannungsteiler ein elektronischer Schalter verwendet werden Der elektronische Schalter ist bspw mit einem Mirkoprozessor oder einem Mikrocontroller verbunden, durch den der elektronische Schalter gesteuert wird Der elektronische Schalter kann insbesondere aus wenigstens einer Multiplexeinheit bestehen Die Einstellung der Spannungsteiler zur Ermittlung eines Messwerts des von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements kann dann von der Multiplexeinheit vorgenommen werden An den elektronischen Schalter sind bspw auf eine Platine vorgedruckte Leiterbahnen oder
Verbindungskabel eingangsseitig und ausgangsseitig angeschlossen und mit dem Messwiderstand, mit dem ersten und zweiten Referenzwiderstand und mit dem von der Messgroße abhangigen Widerstandselement verbunden Diese Verbindungsleitungen bilden dann die verschiedenen Spannungsteiler zwischen denen der elektronische Schalter schaltet Dafür ist insbesondere eine Multiplexeinheit geeignet, welche mehrere parallel anliegende Signaie in eine sequentielle Reihenfolge bringen kann
In einer Ausfuhrungsform wird die über den ersten, zweiten und dritten Spannungsteiler abfallende Teilspannung nach dem elektronischen Schalter abgegriffen Durch die so geschalteten Spannungsteiler können der erste und der zweite Referenzwiderstand und der Widerstand des von der Messgroße abhangigen Widerstandelementselements durch eine entsprechende Stellung des elektronischen Schalters ausgemessen werden in einer weiteren Ausfuhrungsform wird etn vierter Spannungsteiler über wenigstens den zweiten Referenzwiderstand, den elektronischen Schaiter und den Messwiderstand eingestellt, wobei die über den vierten Spannungsteiler abfallende Teilspannung vor dem elektronischen Schalter abgegriffen wird, wobei mittels der Verstarkerschaltung die über den vierten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird Der vierte Spannungsteiler kann zur Bestimmung des Widerstandswerts des elektronischen Schalters verwendet werden
In einer weiteren Ausgestaltung wird aus wenigstens der über den vierten Spannungsteiler abfallenden und verstärkten Teilspannung der Widerstandswert des elektronischen Schalters bestimmt wird. Durch den Vergleich der über den zweiten und über den vierten Spannungsteiler ermittelten Teilspannungen kann der Widerstand des elektronischen Schalters ermittelt werden Eine Messung des Widerstandswerts des von der Messgroße abhangigen Widerstandselements kann dann unabhängig von dem Widerstand des elektronischen Schalters durchgeführt werden Der widerstandswert des elektronischen Schalters kann auf diese vorgenannte Weise bestimmt und ein entsprechend korrigierter Widerstandswert des von der Messgroße abhangigen Widerstandselements bestimmt werden.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit mindestens einem elektronischen Schalter wobei der elektronische Schalter mindestens einen Widerstandswert aufweist, wobei der elektronische Schalter dazu dient, einen ersten
Spannungsteiler über einen ersten Referenzwiderstand, einen Messwiderstand und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine erste Teilspannung abfallt, einen zweiten Spannungsteiler über einen zweiten Referenzwiderstand den Messwiderstand und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine zweite Teilspannung abfallt, einen dritten Spannungsteiler über das von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangige
Widerstandelement, den Messwiderstand und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine dritte Teilspannung abfallt, einen vierten Spannungsteiler über einen zweiten Referenzwiderstand, den Messwiderstand und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine vierte Teilspannung abfallt, mit einer Verstarkerschaltung welche zur Verstärkung der ersten, zweiten, dritten und vierten Teilspannung dient, mit einer Rechnereinheit, welche zur Bestimmung des Widerstandswerts des von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements aus der ersten, zweiten, dritten und vierten abgefallenen und verstärkten Teilspannung, dem Widerstandswert des Messwiderstand und den Widerstandswerten des ersten und dem zweiten Referenzwiderstands dient, gelost
Durch die Vorrichtung kann der Emfluss einer Drift der elektronischen Bauteile, die eine solche Drift bspw in Folge einer Temperaturanderung oder aufgrund von Abnutzungserschemungen oder aufgrund einer schwankenden Betriebsspannung unterliegen, ausgeschlossen werden Von Vorteil ist, dass dadurch der Messung des Widerstands des von einer chemischen und/oder physikalischen Messgrόße abhangigen Widerstandselements durch die vorgeschlagene Vorrichtung präzisiert werden kann
Aus den ermittelten über den ersten, zweiten, dritten und vierten Spannungsteiler abgefallenen und verstärkten Teilspannungen kann mit den bekannten Werten des ersten und zweiten
Referenzwiderstands und des Messwäderstands ein Gleichungssystem mit den im Wesentlichen drei Unbekannten -Betriebsspannung, Verstärkungsfaktor und Offset- der Verεtarkerschaitung gebildet werden. Dieses Gleichungssystem kann gelöst und somit der Einfluss der Verstarkerschaltung auf den Messwert berechnet und ein bereinigter Messwert der Messgroße bestimmt werden
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung erfolgt der Abgriff der über den zweiten Spannungsteiler abfallenden Teilspannung nach dem elektronischen Schalter, und der Abgriff der über den vierten Spannungstθiier abfallenden Teilspannung erfolgt vor dem elektronischen Schalter Durch einen solchen Spaπnungsabgnff kann der Widerstandswert des elektronischen Schalters bestimmt werden, indem die über den zweiten und vierten Spannungsteiler abgefallene Teilspannung verglichen wird
!n einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung besteht der elektronische Schalter aus mindestens einer Multipiexeinheit. Eine Multiplexemheit ist gunstig Herstellbar oder zu erwerben und kann bspw. mittels eines Mikrocontrollers gesteuert werden Durch die vorgeschlagene Vorrichtung kann die Messgenauigkeit verbessert werden, da der Messwert des von der Messgroße abhangigen Widerstandselements nicht mehr vom ohmschen Widerstand des elektronischen Schalters abhangig ist
In einer Ausfuhrungsform ist wenigstens ein Vorwiderstand vorgesehen, welcher dazu dient, den an dem elektronischen Schalter anliegenden Strom zu beschranken. Um Anforderungen betreffend den Explosfonschutz zu erfüllen, ist es bei bestimmten Anwendungen notwendig, zusätzliche Widerstände in Reihe zum Fuhlerelement zu schalten. Die Werte dieser Widerstände sind meist nicht sehr genau, da sie keinem primären Messzweck sondern lediglich der Einhaltung gewisser Spannungs- und/oder Stromgrenzen dienen Durch die vorgeschlagene Vorrichtung können diese Schutzwiderstande dennoch eingesetzt werden ohne dass das Messsignal gravierend verfälscht wird.
In einer weiteren Ausfuhrungsform der Vorrichtung ist der Vorwiderstand Bestandteil des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Spannungsteilers. Je nach Anwendung kann es notwendig sein, den ersten oder zweiten Vorwiderstand in einen der Spannungsteiler zu integrieren Em Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, dass der Vorwiderstand mittels der verschiedenen Spannungsteiler genau ermittelt werden kann In einer Ausgestaltung besteht die Verstarkerschaltung im Wesentlichen aus einem Operationsverstärker, weicher mit einer Betriebsspannung versorgt ist und einen definierten Verstärkungsfaktor und einen Offset aufweist Eine Verstarkerschaltung kann einfach und kostengünstig durch einen geeignet beschalteten Operationsverstärker realisiert werden Die Kenngroßen, u a Betriebsspannung, Verstärkungsfaktor und Offset eines Operationsverstärkers unterliegen konstruktionsbedingt aber gewissen Schwankungen Der durch die vorgeschlagene Vorrichtung ermittelte Messwert des von der Messgroße abhangigen Widerstandelements hingegen kann unabhängig von den Kenngroßen und deren Schwankungen bestimmt werden
In einer Weiterbildung ist der Verstarkerschaitung ein Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet, der ein von der Verstarkerschaltung ausgegebenes analoges Messsignal digitalisiert Das Messsignal kann dadurch digitalisiert und einer digitalen Verarbeitung mittels eines Mikroprozessors zuganglich gemacht werden Durch die erfmdungsgemaße Vorrichtung kann sowohl der Offset als auch der Verstärkungsfaktor des nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzers eliminiert werden
In einer weiteren Weiterbildung dient der elektronische Schalter dazu, einen fünften Spannungsteiler über das von einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangige Widerstandselement, den elektronischen Schalter, den Messwiderstand und den Vorwiderstand einzustellen, über den eine fünfte Teilspannung abfallt, weiche von der Verstarkerschaltung verstärkt wird Durch diesen zusatzlichen fünften Spannungsteiler kann zusatzlich zum Wert des Widerstands des elektronischen Schalters auch der Wsderstandswert des ersten und/oder zweiten Vorwiderstands bestimmt werden
Die Erfindung wird anhand der nachfoigenden Zeichnungen naher erläutert
Es zeigt
Fig 1 eine erste Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mittels eines temperaturabhangigen Widerstandselements,
Fig 2 ein Schaltbild der mittels des elektronischen Schalters eingestellten Spannungsteiler der ersten Ausgestaltung, und
Fig 3 eine zweite Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mittels eines temperaturabhangigen Widerstandselements,
Fig 4 ein Schaltbild der mittels des elektronischen Scharters eingestellten Spannungsteiler der zweiten Ausgestaltung, und Fig 5 eine dritte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mitteis eines temperaturabhangigen Widerstandselements,
Fig 6 ein Schaltbild der mittels des elektronischen Schalters eingestellten Spannungsteiler der dritten Ausgestaltung
Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer ersten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mittels eines Temperaturfühlers Der Temperaturfühler besteht aus einem Platindraht und weist einen temperaturabhangigen Widerstand RRT auf
Der Temperaturfühler ist über zwei Verbmdungsleitungen mit einem elektronischen Schaiter, in diesem Fall einem Multiplexer M, verbunden. Über eine erste Verbindungsleitursg ist der Temperaturfühler mit einem ersten Eingang und über eine zweite Verbindungsleitung mit einem zweiten Eingang des Multiplexers M verbunden Über die erste Verbindυngsleitung ist der Temperaturfühler über einen ersten Vorwiderstand R Eχ 1 und über die zweite Verbindungsleitung über einen zweiten Vorwiderstand R EX 2 mit dem Multiplexer M verbunden. Die erste Verbindungsleitung ermöglich einen Kontakt zu einem ausgangsseitig des Multiplexers M angeordneten Messwiderstand RM und zu dem Versorgungspotential VDD Die zweite Verbmdungslertung ermöglicht einen Kontakt zu einem ausgangsseitig des Multiplexers M angeordneten Eingang eines Operationsverstärkers OPV Über eine dritte Verbindungsleitung ist der
Temperaturfühler mit dem Referenzpotentiai, der Masse, verbunden Die Verbindungsleitung zwischen dem Temperaturfühler und dem Multiplexer M kann dabei über Leiterbahnen einer Platine und/oder über Verbindungskabel verlaufen
Zur Bestimmung des temperaturabhangigen Widerstandswerts RPT des Temperaturfühlers sind zwei Referenzwiderstande RR 1 ] RR 2 vorgesehen Der erste und der zweite Referenzwiderstand RR 1 , RR 2 sind jeweils mit einem ersten und einem zweiten Eingang des Multiplexers M verbunden, wobei der erste bzw der zweite Referenzwiderstand RR 1 , RR 2 über den ersten Eingang des Multiplexers M mit einem Eingang eines ausgangsseitig angeordneten Operationsverstärkers OPV und über den zweiten Ausgang über den Messwiderstand R M mit dem Versorgungspotential VDD verbunden werden kann
Der erste und der zweite Referenzwiderstand RR 1 RR 2 sind zudem jeweils an ein Referenzpotential VDD und an die Masse angeschlossen. Dadurch wird ein vom Versorgungspotential VDD ausgehender Spannungsabfall zur Masse hm erzeugt
Der Multiplexer M weist zudem einen Eingang auf, der über den Messwiderstand RM mit dem Versorgungspotential VDD verbunden ist Über diesen Eingang ist der Messwiderstand RM mit dem ausgangsseitig des Multiplexers M angeordneten Operationsverstärker OPV verbunden Weiterhin weist der Multiplexer M einen Disable-Emgang D auf, mittels dem der Multiplexer M die Verbindung zwischen seinen esngangssettigen und seinen ausgangsseitigen Anschlüssen unterbrochen werden kann
Ausgangsseitig ist der Multiplexer M über einen Filter F zur Reduktion etwaig auftretender Störungen mit einem Eingang einer Verstärkerschaltung, die im Wesentlichen aus einem Operationsverstärkers OPV besteht, verbunden Ein weiterer Ausgang des Multipiexers M ist über den Messwiderstand RM mit dem Versorgungspotentia! V0D und einem Versorgungsanschluss des Operationsverstärkers OPV verbunden.
Der Operationsverstärker OPV wird im „Single supply" betrieben, d.h es steht nur an einem seiner Versorgungseingange ein Versorgungspotential VDD ZUΓ Verfugung An seinem zweiten Versorgungseingang ist der Operationsverstärker OPV mit Masse verbunden Alternativ kann der Operationsverstärker OPV auch im „dual supply", nicht gezeigt, betrieben werden.
Der Operationsverstärker OPV ist ausgangsseitäg mit einem Analog-Digital-Umsetzer ADC verbunden, der das analoge Messsignal in ein digitales Messsignal umwandelt Das digitale Messsignal wird dann an einen Mikrocontroller μC weitergeleitet, der u.a zur Verarbeitung des Messsignals, der Messwertbestimmung und der Steuerung des Multipiexers M dient.
Durch den Multiplexer M lassen sich verschiedene Spannungsteiler- die verschiedenen Messpfadebälden Dies wird ausgenutzt, um einen Messwert zu ermitteln, der frei von den Absolutwerten und/oder der Drift der Kenngrößen des Operationsverstärkers OPV bzw. seiner Komponenten ist Dafür wird ein erster Spannungsteiler über den ersten Referenzwiderstand RRι1 , den Multiplexer M und den Messwiderstand M geschaltet. Em zweiter Spannungsteiler wird dann über den zweiten Referenzwiderstand RR 1 l den Multiplexer M und den Messwiderstaπd RM geschaltet. Em dritter Spannungsteiler der mittels des Multipiexers IVI eingestellt wird, besteht aus dem Messwiderstand RM, dem Multiplexer M, dem ersten Vorwiderstand REχ i und dem temperaturabhängigen Widerstandselement Em vierter Spannungsteiler wird wie der zweite Spannungsteiler über den zweiten Referenzwiderstand R EX,2, den Multipiexer M und den Messwiderstand RM geschaltet Allerdings erfolgt beim vierten Spannungsteiler der Abgriff der Spannung vor dem Multiplexer M (siehe Figur 2).
Durch die Messung der über den ersten, zweiten, dritten und vierten Spannungsteiler abgefallenen und mittels der Verstärkerschaltung verstärkten Teilεpannungen V 0Lrt 1 , V out 2 , V ou, 3 , V out A .erhält man ein Gleichungssystem aus vier Gleichungen und den fünf unabhängigen Variablen- dem Widerstandswert des Multipiexers RMKX, dem Versorgungspotential V00, dem Verstärkungsfaktor G und dem Widerstandswert des temperaturabhangigen Widerstandelements RPT
Figure imgf000011_0001
(/ - ^/^2 + ^m V + V \ G
Durch Substitution lasst ssch das Gleichungssystem in ein Gleichungssystem mit vier unbekannten transformieren Dafür wird 17; = VDD G und U2 - V0n - G gesetzt Das resultierende Gleichungssystem lasst sich stets losen
Die Genauigkeit des Werts des Widerstands RPT des Temperaturfühlers ist somit nur noch von der Genauigkeit der Referenzwiderstande RR 1, RR 2, des Vorwiderstandes REχ i und vorn Messwiderstand RM abhangig Wenn die Randbedingung, dass der Messwiderstand RM ein vielfaches des Widerstands des Temperaturfühlers ist und dass der Vorwiderstand R ^ 1 viel kleiner als der Messwiderstand RM ist gilt, dann hangt die Messgenauigkeit überwiegend von der Toleranz der Referenzwiderstande R R 1 und R R 2 ab
Der erste Referenzwiderstand RR ^ st vorzugsweise so zu wählen, dass er nahe an dem untersten Messwert des Widerstands Rpy des Temperaturfühlers hegt Der zweite Referenzwiderstand RR 2 ist vorzugsweise so zu wählen, dass er nahe dem obersten Messwert des Widerstands RPT des Temperaturfühlers liegt Der elektronische Schatter kann vorzugsweise so gewählt werden, dass der Muitiplexerwiderstand RMUX im Bereich 0 < RMUX "=1 (RR 1 - RR 2) liegt
Über den bereits erwähnten Disable-Eiπgang D des elektronischen Schalters kann der Schalter auf . hochohmig" gestellt werde, d h der Schalter unterbricht die Verbindung zwischen mindestens einem Ein- und einem Ausgang. Dadurch kann die Verlustleistung der Schaltung in den Phasen, in denen keine Temperaturmessung stattfindet reduziert werden In solchen messfreien Phasen fließt weder durch den Temperaturfühler noch durch einen der Referenzwsderstande R FΠ , R R 2 ein Strom
Zur weiteren Leistungsreduzierung kann zusätzlich auch der Operationsverstärker OPV in messfreien Phasen ausgeschaltet werden Dadurch kann die Schaltung für sog LowPower Anwendungen eingesetzt werden Figur 2 zeigt die mittels des Multiplexers M zur Messung des Widerstands RPT des Widerstandselements eiπgesteilten Spannungsteiler
Schalterstellung S2 entspricht dabei dem ersten Spannungsteiler Der erste Spannungsteiler besteht aus dem Messwiderstand RM, Widerstand des elektronischen Schalter und dem ersten Referenzwiderstand RR, 1.
Der Spannungsabgriff der ersten Teilspannung am ersten Spannungsteiler erfolgt nach dem Messwiderstand RM und dem elektronischen Schalter zwischen dem elektronischen Schalter und dem ersten Referenzwiderstand RR 1. Die über den ersten Spannungsteiler am Signalabgriff abgefallene Tetlspannung wird dann der Verstärkerschaltung zugeführt
Schalterstellung S3 entspricht dem zweiten Spannungsteiler. Der zweite Spannungsteiler besteht aus dem Messwiderstand RM, dem Widerstand des elektronischen Schalters und dem zweiten Referenzwiderstand R R 2. Der zweite Referenzwiderstand RR 2 ist ausgangsseitig mit Masse verbunden Der Abgriff der zweiten Teilspannung erfolgt nach dem Messwiderstand RM und dem elektronischen Schalter zwischen dem elektronischen Schalter und dem zweiten Referenzwiderstand R R 2. Die über den zweiten Spannungsteiler abgefallene Teilspannuπg wird vom Sigπalabgπff an die Verstärkerschaltung geleitet
Schaiterstellung S1 entspricht dem dritten Spannungsteiler. Der dritte Spannungsteiler besteht aus dem Messwiderstand RM, dem Widerstand des elektronischen Schalters und dem Widerstand Rpy des von der chemischen und/oder physikalischen Messgrόße abhängigen Widerstandselements Zudem sind im Verlauf des dritten Spannungsteilers Vorwiderstände REX I > REX 2 vorgesehen, die der Strom- bzw. Spannungsbegrenzung in expiosionsgefahrdeten Zonen dienen.
Unter Berücksichtigung der Vorwiderstande REX -I , REX 2 besteht der dritte Spannungsteiler aus dem Messwiderstand RM, dem elektronischen Schalter, dem ersten und den zweiten Vorwiderstand REX I , REX 2 und dem von der chemischen und/oder physikalischen Messgrόße abhängigen Widerstandselement. Der Abgriff der dritten Teilspannung erfofgt nach dem Messwiderstand RM, dem elektronischen Schalter, dem ersten Vorwiderstand Rgχ i und zwischen dem ersten Vorwiderstand REX 1 und dem von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhängigem Widerstandselement mit dem Widerstand RPT. Zwischen dem Signalabgriff und der Verstärkerschaltung ist der zweite Vorwtderstand REχ 2 vorgesehen. Da die im Wesentlichen aus einem Operationsverstärker OPV bestehende Verstarkerschaltung einen Eingangswiderstand von 10MOhm aufweist, kann der zweite Vorwiderstand REχ 2 bei der Bestimmung des Widerstandswerts RPT des von der chemischen und/oder physikalischen Messgrόße abhangigen Widerstandselements vernachlässigt werden Schalterstellung 4 entspricht dem vierten Spannungsteiler Der vierte Spannungsteiler besteht aus dem Messwiderstand RM) dem Widerstand des elektronischen Schalters und dem zweiten Referenzwiderstand RR 2 Der Signalabgriff erfolgt hier jedoch im Unterschied zu dem zweiten Spannungsteiler nach dem Messwiderstand RM und noch vor dem elektronischen Schalter Durch den Vergleich mit den über den zweiten Spannungsteiler gewonnen Werten lasst sich daraus der
Widerstandswert des elektronischen Schalters bestimmen
Figur 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mittels eines temperaturabhangigen Widerstandselements
Dabei erfolgt die Schaltung der Spannungsteiler über zwei getrennte Multiplexer Mi, M2 Em erster Multiplexer M1 dient dabei zur Umschaitung der Mess bzw Strompfade durch den Mesεwiderstand RM und ein zweiter Multiplexer M2 dient zur Umschaitung der Mess- und Strompfade durch die Verstarkerschaltung Ein Vorteil der zweiten Ausfuhrungsform ist, dass zusatzlich zum Widerstandswert RMUX I des ersten Multiplexers Mi , der Widerstandswert des ersten Vorwiderstands R EX 1 bestimmt werden kann Dafür wird ein weiterer Spannungsteiler über das temperaturabhangige Widerstandselement mit dem Widerstand Rpγ, den ersten Vorwiderstand REX I , REX 2 den ersten Multiplexer M1 und den Messwiderstand RM geschaltet Über diesen Spannungsteiier wird der Spannungsabfall über das temperaturabhangige Widerstandelement und den ersten Vorwiderstand REχ 1 gemessen Die abgefallene fünfte Teilspannung wird von der
Verstarkerschaltung verstärkt Für die Ausgangsspannung über den fünften Spannungsteiler gilt
Figure imgf000013_0001
Die Ausgangsspannung ist hierbei die am Ausgang des Operationsverstärkers OPV abgegebene also die über den fünften Spannungsteiler abgefallene und verstärkte Teiispannung
Das obige Gieichungssystem beinhaltet dann eine weitere Unbekannte und eine weitere Bestimmungsgieichung Durch die Substitution U1 = VDD G und U2 — V0n G lasst sich auch dieses Gieichungssystem losen
Figur 4 zeigt ein Schaltbild der fünf mittels des ersten und zweiten elektronischen Schalters eingestellten Spannungsteiler der zweiten Ausgestaltung
In der ersten Schaltersteüung Si ist der erste Muftiplexer Mt in Stellung 1 und der zweite Multipiexer M2 in Stellung 4 Der erste Spannungsteiler verlauft dann ausgehend von dem Versorgungspotentiai VΠD über den Messwidarstand RM den ersten und zweiten Multtplexer Mi, M? und den ersten Referenzwiderstand R R -i zur Masse Der Abgriff der ersten Teilspannung erfolgt nach dem ersten Widerstand des ersten Multiplexers R MUχ 1
Allerdings ist lediglich der Widerstand R Muχ 1 des ersten Multiplexers M1 relevant, da der zweite Multiplexer M2 vor dem hochohmigen Eingang des Operationsverstärkers OPV geschaltet ist
In der zweiten Schalterstellung S2 ist der erste Multiplexer M-i in der Stellung 3 und der zweite Multiplexer M2 in der Stellung 5 Der zweite Spannungsteiler verlauft dann von dem Versorgungspotentiai VDD über den Messwiderstand RM und den ersten Multiplexer M1 und den zweiten Referenzwiderstand R R 2 zur Masse Der Abgriff der zweiten Teilspannung erfolgt auch hier nach dem ersten Widerstand des ersten Multiplexers R MUX 1
In der dritten Schalterstellung S3 ist der erste Multiplexer M1 in der Stellung 3 und der zweite Multiplexer M2 in der Stellung 1 Dies entspricht dem vierten Spannungsteiler, der über den Messwiderstand RM, den ersten Multiplexer Mi und den zweiten Referenzwiderstand R R2 verlauft Die vierte Teilspannung wird dabei vor dem ersten Multiplexer M1 abgegriffen
in der vierten Schalterstellung S4 ist der erste Multiplexer M1 in der Stellung 1 und der zweite Multiplexer M2 in der Stellung 3 Dies entspricht dem dritten Spannungsteiler, der von dem Versorgungspotentiai VDD über den Messwiderstand RM, den ersten Multiplexer M1, den ersten Vorwiderstand R Eχ i, den zweiten Vorwiderstand R Eχ2 und das von einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangige Widerstandselement mit dem Widerstand RPT verlauft Die dritte Teilspannung wird dabei zwischen dem ersten Vorwiderstand REχ i und dem von der Messgroße abhangigen Widerstandseiement abgegriffen und der Verstarkerschaltung zugeführt
Die fünfte Schalterstellung S5 entspricht dem fünften Spannungsteiler Der fünfte Spannungsteiler verlauft ausgehend von der Potenttalversorgung VDD über den Messwiderstand RM, den ersten Muitiplexer M1, den ersten und zweiten Vorwiderstand R Eχ i R EX 2 und über das von der Messgroße abhängige Widerstandselement zur Masse Die fünfte Teilspannung wird dabei zwischen dem ersten Multipiexer M1 und dem ersten Vorwiderstand REX 1 abgegriffen Dadurch kann der erste Vorwiderstand REX -i ermittelt werden und das Messergebnis verbessert werden In der fünften Schalterstellung ist der erste Multipiexer M1 in der Stellung 1 und der zweite Multiplexer M2 in der Stellung 2
Von Vorteil ist, dass der Wert des ersten Vorwiderstands Rgx -j nicht bekannt sein muss, sondern bestimmt werden kann Zudem kann der Wert des ersten Multiplexwiderstands R Mux 1 aus dem Mittelwert der Messung des Widerstandswert über R R 1+R Mux 1 und R R 2 +R MUX 1 gebildet werden Figur 5 zeigt ein Schaltbild einer dritten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mittels eines temperaturabhangigen Widerstandelements
In der dritten Ausgestaltung sind zur Schaltung der Spannungsteiler zwei Multiplexer M1, M2 vorgesehen Allerdings benötigt der zweite Multiplexer M2 lediglich vier Eingange, um die für eine erfmdungsgemaße Messung erforderlichen Spannungsteiler zu schalten Durch den Abgriff zwischen RMUX und REXI wird der Widerstand RMUX*REXI ermittelt und der zweite Multiplexer M2 benotigt nur noch 4 statt 5 Schaltersteilungen
Alternativ zur Messung von R Eχ 1 in der in Figur 3 gezeigten zweiten Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch R Eχ I+RMUX ermittelt werden Der fünfte Spannungsteiler verlauft dann über das temperaturabhangige Widerstandselement, den ersten Vorwiderstand R Eχ i, den ersten Multiplexer Mi und den Messwiderstand RM Die fünfte Bestimmungsgieichung lautet dann
X ^
Figure imgf000015_0001
Figur 6 zeigt ein Schaltbild der mittels des elektronischen Schalters eingestellten Spannungsteiler der dritten Ausgestaltung der Vorrichtung
Der erste, der zweite und der dritte Spannungsteiler veriaufen analog zu den in Figur 2 und in Figur 4 gezeigten und in der entsprechenden Beschreibung erläuterten Spannungsteilern Lediglich die Schaltersteüung der in Figur 6 gezeigten Multiplexer M1, M2 unterscheidet von der in Figur 4
Der fünfte Spannungsteiler in der dritten Ausgestaltung verlauft ausgehend von dem Versorgungspotential VDD über den Messwiderstand RM, den ersten Multipfexer M1, den ersten und zweiten Vorwiderstand R EX i , R EX 2 und das von der Messgroße abhangige Widerstandselement RpT Die fünfte Teilspannung wird dabei zwischen Messwiderstand RM und dem ersten Multiplexer M1 abgegriffen Da sich der zweite Multiplexer SVI2 unmittelbar vor dem Eingang des Operationsverstärkers OPV der Verstarkerschaltung befindet kann sein Widerstand R MUX 2 vernachlässigt werden
Anstelle des in den Figuren gezeigten temperaturabhangigen Widerstandselements kann selbstverständlich und für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich jedes andere von einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangige Widerstandselement verwendet werden Bezugszeichenliste
Figure imgf000016_0001

Claims

Patentansprüche
1 Verfahren zur Widerstandsmessung eines von mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements, wobei ein erster Spannungsteiler aus wenigstens einem ersten Referenzwiderstand (RR 1) und einem Messwiderstand (RM) gebildet wird, wobei mittels einer Verstarkerschaltung eine über den ersten Spannungsteiler abfallende
Teiispannung verstärkt wird, wobei ein zweiter Spannungsteiler aus wenigstens einem zweiten Referenzwiderstand <RR 2) und dem Messwiderstand (RM) gebildet wird, wobei mittels der Verstarkerschaitung eine über den zweiten Spannungsteiler abfallende
Teilspannung verstärkt wird, wobei etn dritter Spannungsteiler aus wenigstens dem von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselernent und dem Messwiderstand (RM) gebildet wird wobei mittels der Verstarkerschaltung eine über den dritten Spannungsteiler abfallende
Teiispannung verstärkt wird, wobei aus wenigstens den Werten der über den ersten zweiten und dritten
Spannungsteiler abfallenden und verstärkten Teilspannungen und den Werten des ersten und des zweiten Referenzwiderstands {RR i RR 2) und des Messwiderstands (RM) der Widerstandswert des von der physikalischen und/oder chemischen Messgroße abhangigen Widerstandseiements bestimmt wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 wobei als Widerstandselement, welches von einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangig ist ein temperaturabhangiges Widerstandselement verwendet wird
3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste, zweite und dritte Spannungsteiler mittels eines elektronischen Schalters eingestellt werden wobei der elektronische Schalter mindestens einen Widerstandswert aufweist
4 Verfahren nach Anspruch 3 wobei die über den ersten zweiten und dritten Spannungsteiler abfallende Teilspannung nach dem elektronischen Schalter abgegriffen wird
5 Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 wobei ein vierter Spannungsteiler über wenigstens den zweiten Referenzwiderstand (RR 2), den elektronischen Schalter und den Messwiderstand eingestellt wird, wobei die über den vierten Spannungsteiler abfallende Teilspannung vor dem elektronischen Schalter abgegriffen wird, wobei mittels der Verstarkerschaltung die über den vierten Spannungsteiler abfallende Teilspannung verstärkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei aus wenigstens der über den vierten Spannungsteiler abfallenden und verstärkten Teilspannung der Widerstandswert des elektronischen Schalters bestimmt wird.
7. Vorrichtung zur Widerstandsmessung eines von mindestens einer chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhangigen Widerstandselements, mit mindestens einem elektronischen Schalter, wobei der elektronische Schalter mindestens einen Widerstand aufweist, wobei der elektronische Schalter dazu dient, einen ersten Spannungsteiler über einen ersten Referenzwiderstand (RR,I), einen
Messwiderstand (RM) und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine erste
Teilspannung abfällt, einen zweiten Spannungsteiler über einen zweiten Referenzwiderstand (RR,2), den
Messwiderstand (RM) und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine zweite
Teilspannung abfallt, einen dritten Spannungsteiler über das von der chemischen und/oder physikalischen
Messgröße abhangige Widerstandeiement, den Messwiderstand (Ru) und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine dritte Teilspannung abfällt, einen vierten Spannungsteiler über einen zweiten Referenzwiderstand(RR 2), den
Messwiderstand (RM), und den elektronischen Schalter einzustellen, über dem eine vierte Teilspannung abfallt, mit einer Verstärkerschaltung, welche zur Verstärkung der ersten, zweiten, dritten und vierten Teilspannung dient, mit einer Rechnereinheit, welche zur Bestimmung des Widerstandswerts des von der chemischen und/oder physikalischen Messgroße abhängigen Widerstandselements aus den ersten, zweiten, dritten und vierten abgefallenen und verstärkten Teilspannungen, dem Widerstandswert des Messwiderstand (RM) und den Widerstandswerten des ersten und dem zweiten
Referenzwiderstands (RR 1 , RR 2), dient.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Abgriff der über den zweiten Spannungsteiler abfallenden zweiten Teilspannung nach dem elektronischen Schalter erfolgt, und wobei der Abgriff der über den vierten Spannungsteiler abfallenden vierten Teilspannung S vor dem elektronischen Schalter erfolgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der elektronische Schalter aus mindestens einer Multiplexeinheit (M, M1, M2) besteht. 0
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei wenigstens ein Vorwiderstand ( REX,I , REX,2), vorgesehen ist, welcher dazu dient den an dem elektronischen Schalter anliegenden Strom zu beschränken. 5
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Vorwiderstand (REχ,i, REX,2). Bestandteil des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Spannungsteilers ist,
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-1 1 , 0 wobei die Verstärkerschaltung im Wesentlichen aus einem Operationsverstärker (OPV) besteht, welcher mit einer Betriebsspannung (VDD) versorgt wird und einen definierten Verstärkungsfaktor und einen Offset aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-12, 5 wobei der Verstärkerschaltung ein Analog-Digital-Umsetzer (ADC) nachgeschaltet ist, der ein von der Verstärkerschaitung ausgegebenes analoges Messsignal digitalisiert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-13, wobei der elektronische Schalter dazu dient, 0 einen fünften Spannungsteiler über das von einer chemischen und/oder physikalischen
Messgröße abhängige Widerstandselement, den elektronischen Schalter, den Messwiderstand (RM) und den Vorwiderstand (REχ,i, REX,2), einzustellen, über den eine fünfte Teiispannung abfällt, welche von der Verstärkerschaitung verstärkt wird.
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