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Schaltung zur linearen Umformung von Widerstandswerten in Stromwerte
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur linearen Umformung von Widerstandswerten
in Stromwerte.
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is gibt mehrere bekannte Arten von Schaltungen zur linearen Umformung
von Widerstandswerten in Stromwerte, die im wesentlichen das gleiche Prinzip wie
die Erfindung anwenden.
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Der Meßwiderstand (dessen Widerstandswert in einen Stromwert umgeformt
wird) wird mit konstantem Strom so gespeist, daß der Spannungsabfall direkt proportional
dem Widerstandswert ist. Aus dem beschriebenen Prinzip ist ersichtlich, daß die
Lösung des Problems nicht schwierig ist, wenn zwischen den Verstärker zur Umformung
der Spannung in Strom und den Stromgenerator, der den Mef3widerstand speist,
eine
Gleichstromtrennung eingeführt wird. Die größte Unzulänglichkeit dieser Lösung liegt
aber darin, daß diese Gleichstromtrennung sehr teuer ist.
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Bekannt ist auch eine Schaltung, die als Stromgenerator einen Transistor
mit starker Rückkopplung am Emitter verwendet, wobei sich der Meßwiderstand am Kollektor
befindet. An den Meßwiderstand ist ein Differenzverstärker angeschlossen, dessen
belasteter Ausgang an den Rückkopplungswiderstand, der den Meßbereich bestimmt und
mit dem Meßwiderstand in Reihe geschaltet ist, angeschlossen ist.
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Ein Nachteil dieser Ausführung liegt darin, daß die Bestimmung des
Meßbereichbeginns über eine parallele Abzweigung erfolgt, die mit Strom gespeist
ist, was bedeutet, daß es notwendig ist, den Strom parallel durch den Meßwiderstand
und durch das Potentiometer zur Bestimmung des Beginns des Meßbereiches auf einem
bestimmten Wert zu halten. Ein anderer Nachteil liegt darin, daß der Meßwiderstand
und der Rückkopplungswiderstand zur Bestimmung des Meßbereiches in Reihe geschaltet
sind, d.h.
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daß ihr gegenseitiges Verhältnis eine endliche Grenze hat.
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Bei dieser Ausführung ist es gewiß günstiger, daß der Wert des gemessenen
Widerstandes größer als der Wert des Rückkopplungswiderstandes ist, da die prozentuelle
Instabilität des Rückkopplungswiderstandes auch auf den Anfang des Meßbereiches
Einfluß ausübt. Ein dritter Nachteil liegt darin, daß der Strom durch den gemessenen
widerstand und der Strom durch das Potentiometer zur Bestimmung des Meßbereiches
nicht mit der Rückkopplung im Stromgenerator umfaßt sind, was dann entweder eine
sehr hohe Verstärkung des Transistors im Stromgenerator oder aber eine hohe
Stabilität
des Verstärkers selbst erfordert.
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Bei Temperaturmessungen, d. h. bei der Umformung des Widerstandswertes
des Widerstandsthermometers, z. B. eines Platin-Widerstandsthermometers, in Stromwerte,
ist eine zusätzliche Unzulänglichkeit die nichtlineare Charakteristik eines solchen
Meßwiderstandes, d. h. der Temperaturkoeffizient eines solchen Widerstandsthermometers
ist bei verschiedenen Temperaturen nicht konstant. Der Ausgang der Schaltung muß
darum im Hinblick auf die Temperatur linearisiert sein. Bei einigen bekannten Schaltungen
wird diese Linearisierung durch die Einführung eines nichtlinearen Elementes in
die Rückkopplung des Verstärkers erreicht; bekannt ist auch eine Brücke, in der
das Widerstandsthermometer einer von den Brückenzweigen ist und in der die Linearisierung
durch die Korrektur der Speisungsspannung der Brücke erreicht wird (C. A. Logan
- W. E. Cook "A Linear Platinum Resistance Temperature Detector", Control Engineering,
Dec. 1970).
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Die Aurgabe der Erfindung besteht daher in der Beseitigung der oben
aufgeführten Nachteile und in der Einführung einer neuen Qualität, d. h. der Linearisierung
der nichtlinearen Charakteristik der Meßwiderstände in Abhängigkeit von der Temperatur,
wenn die Schaltung der eingangs gegenannten Art als Umformer von Temperaturwerten
in Stromwerte verwendet wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die
Klemmen einer Bezugsspannungsquelle ein erstes Trimmer-Potentiometer und ein erster
Widerstand so in Reihe geschaltet sind, daß das erste Trimmer-Potentiometer an eine
erste Klernme der Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, daß an den Verbindungspunkt
des ersten Trimmer-Potentiotrs un des ersten Widerstandes der nichtinvertierende
Eingang
eines ersten integrierten Differenzverstärkers angeschlossen
ist, daß zwischen den Ausgang des ersten integrierten Differenzverstärkers und eine
zweite Klemme der Bezugsspannungsquelle so in Reihe geschaltet sind ein zu messender
Widerstand und ein zweiter Widerstand, daß der zu messende Widerstand mit dem Ausgang
des ersten integrierten Differenzverstärkers verbunden ist, daß an den Verbindungspunkt
des zu messenden Widerstandes und des zweiten Widerstandes der invertierende Eingang
des ersten integrierten Differenzverstärkers angeschlossen ist, daß der Abgriff
des ersten Trimmer-Potentiometers mit dem nichtinvertierenden Eingang eines zweiten
integrierten Differenzverstärkers verbunden ist, daß zwischen dem Ausgang des ersten
integrierten Differenzverstärkers und dem invertierenden Eingang des zweiten integrierten
Differenzverstärkers ein zweites Trimmer-Potentiometer und zwischen dem Ausgang
des zweiten integrierten Differenzverstärkers sowie dessen nichtinvertierendem Eingang
ein dritter Widerstand liegt.
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Diese Umformung wird also erfindungsgemäß mit einer Schaltung erreicht,
die zwei auf eine bestimmte Art verbundene Differenzverstärker verwendet, bei welchen
Rückkopplungen zur Erlangung einer verlangten Charakteristik, d. h. der linearen
Umformung von Widerstand in Strom, eingeführt sind.
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In Fig. 1 und 2 dargestellt sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Schaltung.
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In der Schaltung nach Fig. 1 sind an Klemmen 1, 2 einer Bezugsspannungsquelle
in Reihe geschaltet ein Trimmer-Potentiometer 3 und ein Widerstand 4. Am Verbindungspunkt
des Trimmer-Potentiometers 3 und des Widerstandes 4 ist
der nichtinvertierende
Eingang 5 eines integrierten Differenzverstärkers 6 angeschlossen. Zwischen dem
Ausgang 7 des integrierten Differenzverstärkers 6 und dem Verbindungspunkt des Widerstandes
4 mit der Klemme 2 der Bezugsspannungsquelle sind so in Reihe geschaltet ein zu
messender Widerstand 8 und ein Widerstand 9, daß der Widerstand 8 mit dem Ausgang
7 des integrierten Differenzverstärkers 6 verbunden ist. An den Verbindungspunkt
des Widerstandes 8 und des Widerstandes 9 ist der invertierende Eingang 10 des integrierten
Differenzverstärkers 6 angeschlossen.
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Der Abgriff des Trimmer-Potentiometers 3 ist mit dem nichtinvertierenden
Eingang 11 eines zweiten integrierten Differenzverstärkers 12 verbunden, wobei zwischen
dem Ausgang 7 des ersten integrierten Differenzverstärkers 6 und dem invertierendem
Eingang 13 des zweiten integrierten Differenzverstärkers 12 ein dritter Widerstand
14, der als Trimmer-Potentiometer ausgeführt ist, geschaltet ist.
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Zwischen dem Ausgang 15 des integrierten Differenzverstärkers 12 und
dem invertierenden Eingang 13 des gleichen Verstärkers liegt eine Last 16 (z. B.
ein Meßinstrument mit einer Skala, kalibriert in Ohm).
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In der Schaltung nach Fig. 2 ist zwischen dem Ausgang 7 des integrierten
Differenzverstärkers 6 und dem Verbindungspunkt des Trimmer-Potentiometers 3 und
des Widerstandes 4 ein weiterer Widerstand 17 geschaltet.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 ist wie folgt: Als Stromgenerator,
der den zu messenden Widerstand 8 speist, wirkt der integrierte Differenzverstärker
6. An seinen nichtinvertierenden Eingang 5 ist vom Widerstand 4 ein Teil der Bezugsspannung,
an seinen invertierenden Eingang 10
hingegen die Spannung am Widerstand
9 angelegt. Aus dem Schaltbild nach Fig. 1 ist ersichtlich, daß am Widerstand 9
die gleiche Spannung wie am Widerstand 4 sein muß, und da der Widerstand 9 konstant
ist, bedeutet das, daß der Strom durch den Widerstand 9 konstant sein muß, da auch
der Spannungsabfall am Widerstand 4 konstant ist.
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Aus der Schaltung ist ebenfalls ersichtlich, daß der gleiche Strom,
der durch den Widerstand 9 fließt, auch durch den zu messenden Widerstand 8 fließt,
d. h., daß sich - vom Widerstand 8 aus gesehen - der Ausgang 7 des Verstärkers 6
als Stromquelle verhält, daß er also durch den Widerstand 8 einen konstanten Strom
ohne Rücksicht auf die Widerstandsänderungen des zu messenden Widerstandes 8 durchläßt.
Mit der Änderung des Wertes des Widerstandes 8 ändert sich somit der Spannungsabfall
am Meßwiderstand 8, wodurch sich ein Maß fUr den Widerstandswert dieses Widerstandes
ergibt.
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Der Spannungsunterschied zwischen den Spannungen an den Verbindungspunkten
2 und 7 sowie 2 und 11 wird über den veränderlichen Widerstand 14 der Rückkopplung
dem integrierten Differenzverstärker 12 zugeführt. Der Strom aus dem Ausgang 15
des Verstärkers 12 fließt über- die tast 16, gewöhnlich ein Meßinstrument, und den
Widerstand 14.Es ist sofort ersichtlich, daß die Spannungsdifferenz zwischen den
Verbindungspunkten 2 und 7 sowie 2 und 11 dem Produkt des Stromes aus dem Verstärker
12 und des Widerstandes 14 gleich ist, da der Ausgangsstrom dem zu messenden Widerstand
proportional ist.
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Der Beginn des Meßbereiches ist mit dem Trimmer-Potentiometer 3 einstellbar,
während das Ende mit dem Trimmer-Potentiometer 14 eingestellt wird.
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Die Schaltung nach Fig. 2 wird dann angewendet, wenn man eine Linearisierung
der nichtlinearen Charakteristiken der temperaturabhängigen Widerstände erreichen
will; sie unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 1 nur im Widerstand 17.
Bei Platin-Temperatur-Meßwiderständen wird z. B. bei höheren Temperaturen der Temperaturkoeffizient
kleiner, doch erhöht sich wegen des Anwachsens der Spannungen zwischen den Verbindungspunkten
2 und 7 auch der Strom durch den Widerstand 17 und damit auch durch den Meßwiderstand
8, womit sich seine Charakteristik linearisiert.
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Die erfindungsgemäßen Schaltungen wurden praktisch erprobt und haben
sehr gute Resultate erbracht. Bei der Schaltung nach Fig. 1 war die Abweichung von
der Linearität im Bereich von 0 bis 400 Ohm nicht meßbar, dagegen waren für die
Schaltung nach Fig. 2 bei der linearen Umformung der Temperatur, gemessen mittels
eines Platin-Thermometers, die Abweichungen von der Linearität bei einem Temperaturbereich
von 0 bis 600 0C geringer als 0,1 .