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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Darstellung einer von einem resistiven Sensor erfassten Temperatur mit einem Schaltkreis zur Quotientenbildung, an dessen Messeingang eine vom Widerstand des Sensors oder von der Widerstandsdifferenz zwischen dem Sensor und dem den Skalennullpunkt bestimmenden Widerstand abgeleitete Messspannung anliegt und dessen Referenzeingang zwecks Linearisierung der Sensorkennlinie eine Spannung, welche aus einem von einem Referenzwiderstand abgeleiteten Anteil sowie einem vom Vorzeichen und Betrag der Nichtlinearität bestimmten Anteil der Messspannung besteht, zugeführt ist, wobei eine Reihenschaltung aus dem resistiven Sensor und dem gegebenenfalls als ein erster Spannungsteiler ausgebildeten Referenzwiderstand den variablen Zweig einer Brückenschaltung bildet,
in deren anderem Zweig ein zweiter Spannungsteiler zur Bildung des Anteiles der Messspannung liegt.
Widerstandsthermometer zeigen einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur, der durch ein Polynom zweiter Ordnung ausreichend genau wiedergegeben werden kann. Sind e die Temperatur in Celsiusgraden, R der Widerstand des Thermometers bei der Messtemperatur und Ra jener bei 0 C, a und ss Koeffizienten, die für das betreffende Material cha-
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so lässt sich die Sensorfunktion des Thermometers wie folgt angeben :
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Das Verhältnis ss ja. ist ein Mass für die Abweichung von der Linearität und ist dafür entscheidend, ob bei der Darstellung der Temperatur die quadratische Gleichung gelöst werden muss oder ob sie durch eine Gerade angenähert werden darf.
Bei Platin beträgt a = 0, 390784. 10-' K' und ss ja. = - 1, 48013. 10-' K-1, was besagt, dass ab einer Messspanne von 100 K und einer Auflösung besser 0, 3. K linearisiert werden muss.
Da für die numerische Darstellung der Temperatur nur ihr Zahlenwert von Bedeutung ist, werden im folgenden alle auftretenden physikalischen Grössen als dimensionslos angesehen.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit deren Hilfe die Gleichung (1) ausreichend genau näherungsweise gelöst und die Temperatur über einen
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:ist.
Lässt man nun ein und denselben Strom I durch das Widerstandsthermometer R einen Widerstand R. und einen Widerstand Rref piessen, so kann aus der Differenz der Spannungsabfälle an
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Der Wandler wird also die Temperatur unabhängig vom Strom I anzeigen und dabei einen relativen Fehler aufweisen, der durch den Ausdruck (ss/a) e gegeben ist.
Zur Reduktion dieses Fehlers ist erfindungsgemäss bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art der Schaltkreis zur Quotientenbildung ein ratiometrischer Analog-Digital-Wandler, dessen Anschlüsse des Messeinganges in der Diagonalen der Brückenschaltung liegen, wobei der eine Anschluss des Referenzeinganges am Abgriff des zweiten Spannungsteilers und der andere Anschluss des Referenzeinganges entweder am Verbindungspunkt des Referenzwiderstandes mit dem resistiven Sensor oder am Abgriff des ersten Spannungsteilers liegt.
Damit wird dem Referenzeingang des ratiometrischen Analog-Digital-Wandlers als Referenzspannung zusätzlich zu der vom Referenzwiderstand abgeleiteten Spannung ein vom Vorzeichen und vom Betrag der Nichtlinearität der Sensorkennlinie bestimmter Anteil der Messspannung zugeführt.
Beträgt der zur Referenzspannung bref addierte Teil der Eingangsspannung M (ss/a) V., ist also
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weil in den praktischen Fällen (ss/a) e < K l ist.
Für einen beschränkten Temperaturbereich kann die durch den Zähler der Gleichung (6) bestimmte Gerade und die durch den Nenner der Gleichung (6) bestimmte Parabel noch besser zur Deckung gebracht werden, wenn die Parabel geringfügig gedreht und/oder verschoben wird, so dass sich zwei Schnittpunkte mit der Geraden ergeben. Dies wird durch Variation von Vref bzw. des Faktors von Vi im Nenner des Bruches der Gleichung (5) vorgenommen.
Gleichung (7) zeigt eine Drehung der Parabel
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In der folgenden Tabelle werden die Anzeigen der Anordnungen nach den Gleichungen (4), (5) und (7) verglichen. R ist dabei ein Platinwiderstandsthermometer mit ss < 0.
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<tb>
<tb> e <SEP> (C") <SEP> I <SEP> Z <SEP> (4) <SEP> Z <SEP> (5) <SEP> Z <SEP> (7)
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 100 <SEP> 98, <SEP> 6 <SEP> 99, <SEP> 98 <SEP> 100, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 200 <SEP> 194, <SEP> 2 <SEP> 199, <SEP> 83 <SEP> 200, <SEP> 11 <SEP>
<tb> 300 <SEP> 287 <SEP> 299, <SEP> 4 <SEP> 300, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 400 <SEP> 377 <SEP> 398, <SEP> 6 <SEP> 399, <SEP> 69 <SEP>
<tb> 500 <SEP> 464 <SEP> 497, <SEP> 3 <SEP> 498, <SEP> 89 <SEP>
<tb> 600 <SEP> 548 <SEP> 595, <SEP> 1 <SEP> 597, <SEP> 41 <SEP>
<tb> 700 <SEP> 627 <SEP> 692, <SEP> 2 <SEP> 695, <SEP> 27 <SEP>
<tb>
Es ist ersichtlich,
dass Z (5) und Z (7) für die meisten praktischen Temperaturmessungen
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gegebenen Toleranz für Platinmesswiderstände.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung besteht aus einer Spannungsquelle, an die eine Brückenschaltung angeschlossen ist, deren variabler Zweig die Reihenschaltung des Referenzwiderstandes und des resistiven Sensors enthält und deren anderer Zweig die Reihenschaltung eines Spannungsteilers und des den Skalennullpunkt bestimmenden Widerstandes enthält.
Der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers verhält sich zum Widerstandswert des den Skalennullpunkt bestimmenden Widerstandes so wie der Wert des Referenzwiderstandes zum Widerstandswert des Sensors bei der Temperatur des freiwählbaren Skalennullpunktes. Der Messeingang des Analog- - Digital-Wandlers ist in der Brückendiagonale angeschlossen, der Referenzeingang zwischen dem Verbindungspunkt des Referenzwiderstandes mit dem Sensor und dem Abgriff am Spannungsteiler.
Steigt in dieser Anordnung die Spannung am Sensor, so nimmt die Referenzspannung in einem Mass ab, das durch das Teilerverhältnis des Spannungsteilers bestimmt wird.
Die kleinste Messspanne, die mit einer solchen Anordnung erreicht werden kann, ist der weiter unten angeführten Gleichung (14) zu entnehmen. Soll diese Messspanne unterschritten werden, so muss auch der Referenzwiderstand als Spannungsteiler ausgeführt sein und die Referenzspannung zwischen den Abgriffen der beiden Spannungsteiler abgenommen werden.
Für die erste Anordnung kann ein ratiometrischer Analog-Digital-Wandler mit gemeinsamen Nullpunkt für Mess- und Referenzspannung verwendet werden, wenn der Wandler ungleiche Vorzeichen beider Spannungen zulässt. Ist dies nicht der Fall, muss ein Wandler mit voneinander potentialunabhängigem Mess- und Referenzeingang verwendet werden. Das ist auf alle Fälle für die zweite Anordnung notwendig.
In der US-PS Nr. 3, 818, 207 wird eine Schaltungsanordnung beschrieben, die mit Hilfe eines Widerstandsnetzwerkes und einem Schaltkreis zur Quotientenbildung eine nichtlineare Funktion einer an einem resistiven Sensor abfallenden Messspannung erzeugen kann. Dieser Schaltkreis weist einen gemeinsamen Bezugspunkt für Mess- und Referenzspannung auf. Das Widerstandsnetzwerk besteht aus einer aus zwei Spannungsteilern aufgebauten Brücke, die über einen zusätzlichen Vorwiderstand gespeist wird. Die Messspannung wird der Brückendiagonale entnommen und damit das Potential des gemeinsamen Bezugspunktes festgelegt. Der Referenzeingang liegt am Abgriff eines weiteren Spannungsteilers, der von der Speisespannung der Brücke, vergrössert um den Spannungsabfall am Vorwiderstand, gespeist wird.
Der wesentliche Unterschied zur Erfindung besteht darin, dass wegen des gemeinsamen Bezugspunktes Mess- und Referenzspannung nicht ein und derselben Brückenschaltung entnommen werden, was den eigentlichen Vorteil der ratiometrischen Methode zunichte macht. Überdies ist in der bekannten Anordnung eine Variation der Spannung am Referenzeingang bei gleichem relativen Anteil der Messspannung zum Zweck der Skalierung nicht möglich. Dies ist aber Voraussetzung für eine direkte Digitalanzeige der Messgrösse in gegebenen Einheiten.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur
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Implementierung der Gleichungen (5) oder (7), Fig. 2 eine weitere Schaltung für denselben Zweck, jedoch mit verringerter Messspanne und entsprechend höherer Auflösung, wenn in beiden Fällen derselbe Analog-Digital-Wandler verwendet wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt an einer Stromquelle --E-- eine Brückenschaltung, deren variabler Zweig aus der Reihenschaltung eines Referenzwiderstandes --Rref--und eines resistiven Sensors --R-- und deren anderer Zweig aus einem aus Wider-
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Schaltkreis zur Quotientenbildung ist ein ratiometrischer Analog-Digital-Wandler --A/D-- vorgesehen, dessen Anschlüsse-ME., ME.-des Messeinganges in der Diagonale der Brückenschaltung liegen.
Der eine Anschluss --RE 1 -- des Referenzeinganges des Analog-Digital-Wandlers --A/D-- liegt am Abgriff des Spannungsteilers -R1a , R1b -, der andere Anschluss--RE 2--des Referenzeinganges des Analog-Digital-Wandlers --A/D-- liegt am Verbindungspunkt des Referenzwiderstandes --Rref-mit dem resistiven Sensor
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von
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gilt :
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und
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oder mit der Gleichung (1)
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oder
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Zur Skalierung muss
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und zur Linearisierung
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für eine Anzeige nach Gleichung (5) bzw.
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für eine Anzeige nach Gleichung (7) sein.
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ihr Verhältnis zueinander ankommt.
Kleine Messspannen (z. B. M = 100) würden nach Gleichung (14) Rref = R1 < 0 erfordern. Sie
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tung bleibt, muss das Teilerverhältnis t (Gleichung 8) zusätzlich mit dem Teilerverhältnis tl des durch die Widerstände-R refl und R re,,-gebildeten Spannungsteilers multipliziert werden.