DE3322483A1

DE3322483A1 - Messanordnung zur erfassung von strom- oder spannungswerten

Info

Publication number: DE3322483A1
Application number: DE3322483A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 7592 Renchen Sibler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-06-22
Filing date: 1983-06-22
Publication date: 1985-01-03

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 P 4419 DE

Meßanordnung zur Erfassung von Strom- oder Spannungswer-

ten

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Erfassung von Strom- oder Spannungswerten mit einer Integrationsanordnung, bei der die von dem Wert des zu erfassenden Stroms oder Spannung abhängige Entladezeit mindestens eines Kondensators ausgewertet wird, und mit mindestens einem an den Ausgang der Integrationsanordnung angeschalteten Komparator, dessen Schaltschwellen zur Erfassung des Beginns oder Endes der Lade- bzw. Entladezeiten geeignet sind, wobei der Komparator Impulse erzeugende Schaltungömittel ansteuert, deren Impulsfrequenz von der Entladezeit abhängt.

Bei einer bekannten Meßanordnung dieser Art ("Elektron.-" 74, Heft 12, Seiten 469 - 472) wird ein Kondensator der Integrationsanordnung nach einem sogenannten Ladungs-Bilanz-Verfahren mit einer konstanten Ladungsmenge geladen und anschließend durch den zu messenden Strom entladen. Aus der Zeitdifferenz zwischen Lade- und Entladezustand wird auf die Höhe des zu messenden Stroms geschlossen. Nimmt beispielsweise der Strom zu, so wird der Kondensator schneller entladen, und die Zeitdifferenz wird kleiner. Bei abnehmenden Strömen vergeht eine größere Zeit bis zum Entladezustand. Somit werden solche Änderungen erst später erkannt. Bei geringen zu messenden Strömen ist die Zeitspanne bis zum Erkennen einer Änderung relativ groß. Die zur Messung herangezogenen Zeitspannen der Entladezeit werden daher vom jeweiligen Wert des Stromes bzw. der Spannung beeinflußt und gestatten somit eine Erfassung von Änderungen des Strom- bzw. Spannungswertes.

Ag 4 Bz / 16.06.1983

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zur Erfassung von Strom- oder Spannungswerten zu schaffen, bei der die Erfassung auch von geringen Stromoder Spannungswerten in einer relativ kurzen Meßzeit mit hoher Genauigkeit erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Meßanordnung der eingangs angegebenen Art mindestens zwei Komparatoren an die Integrationsanordnung angeschaltet, deren jeweilige Schwellwerte derart unterschiedlich bemessen sind, daß der zeitliche Abstand des Überschreitens der Schwellwerte in Abhängigkeit von der Steigung der Lade- bzw. Entladekurve der Integrationsanordnung auswertbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung von mindestens zwei Komparatoren mit unterschiedlichen Schwellwerten gestattet eine Erfassung der Steigung der Entladekurve, so daß aus der Zeitspanne zwischen dem Ansprechen des ersten !Comparators und beispielsweise dem Ansprechen des zweiten Komparators eine Hilfsgröße gewonnen werden kann, die eine Aussage über die Größe des gemessenen Stroms oder der Spannung gibt. Besonders bei der Erfassung von äußerst geringen Strömen, bei denen also die Zeitspanne des Ansprechens der Schwellwerte den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, kann mit der Hilfsgröße eine verbesserte Auswertung der Entladezeit erreicht werden.

Eine besonders vorteilhafte Auswertung des Signals am Ausgang der Integrationsanordnung ist erreicht, wenn die kapazitiven Elemente der Integrationsanordnung aus einer Anzahl parallelgeschalteter Kondensatoren bestehen, von denen mindestens einer durch Schaltmittel von der Parallelschaltung abtrennbar bzw. anschließbar ist, und mindestens ein Umschaltbaustein vorhanden ist, der bei Abwei-

'35 chung des zeitlichen Abstandes jeweils zweier Schwellwertüberschreitungen von einem vorgegebenen Bereich die Tren-

VPA 83 P 4419 DE nung oder Zuschaltung des mindestens einen parallelgeschalteten Kondensators bewirkt.

Durch die Auswertung der Zeitspanne zwischen dem Ansprechen der mindestens zwei Komparatoren und der daraus resultierenden Zu- oder Abschaltung von weiteren Kondensatoren an der Integrationsanordnung können die Lade- bzw. Entladekurven so angepaßt werden, daß auch bei äußerst geringen zu messenden Strömen eine akzeptable Entladezeit erreicht wird, so daß eine schnelle Strommessung möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Meßanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Meßanordnung,
Figur 2 die in der bekannten Meßanordnung auftretenden Impulsdiagramme und

Figur 3 ein Prinzipschaltbild der Meßanordnung mit zusätzlicher Auswertung der Ausgangssignale mehrerer Komparatoren zeigt.

In der Figur 1 ist eine bekannte Meßanordnung dargestellt, bei der an einem Eingang 1 ein zu erfassender Detektorstrom I, anliegt, der auf einen Eingang 2 einer Integrationsanordnung I geführt ist. An den Eingang 2 ist ebenfalls eine Konstantstromquelle IK über einen Schalter S und eine Diode D angeschaltet. Die Konstantstromquelle IK gib't einen konstanten Strom I ~ ab. Die Integrationsschaltung I enthält einen Operationsverstärker OP, der in seiner Rückführung einen Kondensator C aufweist und an seinem ersten Eingang 3 mit dem Eingang 2 der Integrati ons anordnung I und an seinem zweiten Eingang 4 mit Masse verbunden ist. Der Ausgang 5 ist auf einen ersten Eingang 6 eines Komparators K geführt, an dessen zweitem Eingang

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Masse angeschaltet ist. Der Komparator K ist über einen Timer TI (beispielsweise ein Monoflop) auf den Ausgang der bekannten Meßanordnung geführt. Mit dem Ausgang 8. ist ebenfalls ein Schaltkontakt des Schalters S verbunden.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Figur 1 wird der zu messende Detektorstrom I^ an den Eingang 2 der Integrationsanordnung I geführt, an dessen Ausgang 5 somit eine negative Rampe entsteht. Der nachfolgende Komparator K, dessen Schwelle hier bei 0 Volt liegt, hat eine sehr klei ne Hysterese und steuert den Timer TI an. Die Zeitbasis des Timers TI ist fest eingestellt (beispielsweise 1 yus). Der Timer TI schließt während dieser fest vorgegebenen Zeit den Schalter S, wodurch ein von der Konstantstromquelle IK erzeugter Referenzstrom I_ref über die Diode D die Integrationsanordnung I am Eingang 2 zurücksetzen kann. Die Entladungsportion As ist hier gegeben durch den konstanten Referenzstrom I_ref und durch die fest vorgegebene Zeit At des Timers TI:

I_ref . At = As

Durch den sich ständig wiederholenden Vorgang des Aufladens und Entladens des Kondensators C in der Integrationsanordnung I entsteht eine Impulsfolge am Ausgang 8 der Schaltungsanordnung, deren Impulsfolgefrequenz von der Entladezeit und somit von der Größe des zu messenden Stroms I, abhängt.

In der Figur 2 sind die in der Meßanordnung auftretenden Spannungsverläufe über der Zeit t .dargestellt. Im Diagramm a) ist der Verlauf des zu erfassenden Stroms I, dargestellt, der zum Zeitpunkt t,. einen Sprung in seiner absoluten Größe macht. Im Diagramm b) sind die Ladungspulse

über der Zeit dargestellt, mit denen der Kondensator C der Integrationsanordnung I aufgeladen wird. Im Diagramm c) ist der Verlauf der Integrationsspannung U am Ein-

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gang 6 des Komparators K dargestellt. Hier ist ersichtlich, daß zum Zeitpunkt t^ sich der zeitliche Verlauf der Entladekurve ändert, so daß sich insgesamt eine Veränderung der Entladezeitspanne von At^ nach At₂ ergibt. Diese Änderung der Entladezeit ergibt, wie aus Diagramm d) ersichtlich, eine Änderung der Impulsfolgefrequenz am Ausgang 8 der Meßanordnung.

Bei der in der Figur 3 dargestellten Meßanordnung sind die mit der Meßanordnung nach der Figur 1 übereinstimmenden Bauteile in gleicher Weise bezeichnet. Bei dieser Anordnung ist zwischen dem Ausgang 5 der Integrationsanordnung I und den Komparatoren KO ... K5 zusätzlich ein Begrenzer B geschaltet. Die Ausgänge der Komparatoren *"£...

K5 sind über ein Summierglied SU und einen Timer TU auf einen Ausgang 10 geführt. Die Ausgänge der Komparatoren KO und K1 sind auf Eingänge 11 und 12 eines Umschaltbausteins UB geführt, dessen Ausgang den Ausgang 13 der Meßanordnung darstellt. Dieser Ausgang 13 ist mit Schaltern S1 und S2 verbunden, wobei der Schalter S1 einen Kondensator C2 zu einem Kondensator C1 parallelschalten bzw. abtrennen kann und der Schalter S2 parallel zu einem Widerstand R1 einen Widerstand R2 in Reihe mit der Diode D schalten kann. Die Widerstände R1 und R2 sind über einen Impulsformerbaustein IF mit der Konstantstromquelle IK verbunden. Der Impulsformerbaustein IF wird über einen Schalter S3 derart angesteuert, daß er nur vorgegebene Ladungsportionen auf die Integrationsanordnung I abgeben kann. Die Ansteuerung des Schalters S3 wird vom Ausgang des Komparators KO über einen Timer TI2 bewirkt. Der Ausgang des Komparators KO stellt auch den Ausgang 14 der Meßanordnung dar.

Die Meßanordnung nach der Figur 3 arbeitet zunächst wie ' 35 bereits bei der Meßanordnung nach der Figur 1 beschrieben. Der zu messende Strom I^ fließt in die Integrationsanordnung I, dessen sägezahnförmige Ausgangsspannung hier al-

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lerdings im Begrenzer B begrenzt wird. Bei einem Pegel von O Volt schaltet der Komparator KO von "low" auf "high". Mit der Anstiegsflanke von KO wird der Timer TI2 gestartet (Zeitbasis beispielsweise 5 /us). Während dieser Zeit wird der beispielsweise als MOS-Schalter ausgeführte Schalter S3 geschlossen; somit fließt der Strom l_ref in den Impulsformer IF und setzt dort über R1 und D die Integrationsanordnung I und die Komparatoren KO ... K5 zurück. Die Schaltung ist so dimensioniert, daß am Eingang der Komparatoren KO ... K5 während der Integrationszeit eine negative Rampe von + 1 Volt nach 0 Volt verlaufend ansteht. Am Ausgang von KO (Ausgang 14 der Meßanordnung) steht somit die Rücksetzfrequenz f1 an, die proportional dem zu messenden Strom I, ist. Dieses Signal kann beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Optokoppler einer Digitalisierung und Anzeige zugeführt werden.

Der Schwellwert des Komparators K1 liegt beispielsweise bei + 50 mV, wodurch die beiden Komparatoren KO und K1 zeitlich versetzt ansprechen. Die Zeitspanne At zwischen diesen Ansprechpunkten verhält sich streng proportional zum zu messenden Strom I,. Diese Zeitspanne zwischen den beiden positiven Anstiegsflanken wird im Umschaltbaustein UB beispielsweise mit zwei fest eingestellten Monoflops (Zeitbasen beispielsweise 1 /us und 10 ms) verglichen und daraus das Kriterium für eine Meßbereichsumschaltung abgeleitet. Die Umschaltung erfolgt durch Zuschalten von R2 zu R1 und C2 zu C1 über die z. B. als MOS-Schalter ausgeführten Schalter S1 und S2. Der Kondensator C2 wird dabei in vorteilhafter Weise am niederohmigen Teil der Integrationsanordnung, also am Ausgang 5,. zugeschaltet. Das Umschaltsignal des Umschaltbausteins UB liegt am Ausgang 13 der Meßanordnung an und wird als Gewichtung des Ausgangssignals f1 ebenfalls der Digitalisierung zugeführt. ^r35

Die Komparatoren K2 ... K5 dienen zusätzlich der Pegelmessung der Integrationsanordnung I bei sehr langsam ver-

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laufenden Integrationszyklen, also beim Messen von sehr kleinen Strömen («£ 1 pA Integrationszeit = 100 s). Die Ansprechschwellen können hier wie folgt gestaffelt sein:

K2 <^ 200 mV
K3 A 400 mV
K4 <% 600 mV
K5 <a 800 mV

Die Flanken der Komparatorausgangssignale werden über das Summierglied SU einem Timer TU (Monoflop bzw. Zeitbasisschaltung) zugeführt, welcher jeweils Impulse von einer vorbestimmten Länge abgibt. Auch diese am Ausgang 10 anstehenden Signale können beispielsweise über einen Optokoppler einer Digitalisierung zugeführt werden.

4 Patentansprüche
3 Figuren

Claims

VPA 83 P 4419 DE Patentansprüche

1. Meßanordnung zur Erfassung von Strom- oder Spannungswerten mit

- einer Integrationsanordnung (i), bei der die von dem Wert des zu erfassenden Stroms oder Spannung abhängige Entladezeit mindestens eines Kondensators (C, C1, C2) ausgewertet wird,
und mit

- mindestens einem an den Ausgang der Integrationsanordnung (I) angeschalteten Komparator (K), dessen Schaltschwellen zur Erfassung des Beginns oder Endes der Ladebzw. Entladezeiten geeignet sind, wobei - der Komparator (K) Impulse erzeugende Schaltungsmittel ansteuert, deren Impulsfrequenz von der Entladezeit (At₁, At₂) abhängt,
dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens zwei Komparatoren (KO, K1) an die Integrationsanordnung (i) angeschaltet sind, deren jeweilige Schwellwerte derart unterschiedlich bemessen sind, daß der zeitliche Abstand des Überschreitens der Schwellwerte in Abhängigkeit von der Steigung der Lade- bzw. Entladekurve der Integrationsanordnung (I) auswertbar ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

- die kapazitiven Elemente der Integrationsanordnung (i) aus einer Anzahl parallelgeschalteter Kondensatoren (C1, C2) bestehen, von denen mindestens einer durch Schaltmittel (S1) von der Parallelschaltung abtrennbar bzw. anschließbar ist, und daß

- mindestens ein Umschaltbaustein (UB) vorhanden ist, der bei Abweichung des zeitlichen Abstandes jeweils zweier

'35 Schwellwertüberschreitungen von einem vorgegebenen Bereich die Trennung oder Zuschaltung des mindestens einen parallelgeschalteten Kondensators (C1, C2) bewirkt.

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3. Meßanordnung nach Anspruch 2 mit

- einer Konstantstromquelle (IK), die für eine vorgegebene Ladezeit die Integrationsanordnung (I) mit einem Ladestrom versorgt, wobei

- der zu messende Strom für die Entladung mit einer vom

Wert des Stroms abhängigen Entladezeit sorgt,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die Konstantstromquelle über mindestens einen abschaltbaren Widerstand (R2) mit der Integrationsanordnung (i) verbunden ist, wobei

- der mindestens eine Widerstand (R2) über die vom Umschaltbaustein (UB) angesteuerten Schaltmittel (S2)
zu- oder abschaltbar ist.

4. Meßanordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Schaltmittel (S1, S2) MOS-Schalter sind.