DE3634053C2

DE3634053C2 -

Info

Publication number: DE3634053C2
Application number: DE19863634053
Authority: DE
Inventors: Juergen 3508 Melsungen De Steinbrecher; Ulrich 3507 Baunatal De Schnell
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: PMA Prozess und Maschinen Automation GmbH
Priority date: 1986-10-07
Filing date: 1986-10-07
Publication date: 1989-01-26
Also published as: DE3634053A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes Rsens 1 eines ersten Sensorwiderstandes und des Widerstandswertes Rsens 2 eines zweiten mit dem ersten in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes,
mit einer Stromquelle, die mit einem Instrumentenverstärker koppelbar ist und die über einen ersten Leiter mit einem ersten Leitungswiderstand an den ersten Anschluß des ersten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, und mit einem zweiten Leiter, der einen zweiten Leitungswiderstand aufweist und der an den zweiten Anschluß des ersten Sensorwiderstandes und den ersten Anschluß des zweiten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, dessen zweiter Anschluß über einen dritten Leiter, der einen dritten Leitungswiderstand aufweist, mit dem Instrumentenverstärker koppelbar ist, dem ein Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet ist.

Eine solche Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes eines ersten Sensorwiderstandes und des Widerstandswertes eines zweiten mit dem ersten in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes ist aus der Serviceanweisung der Philips-Industrieregler KS 4400 und KS 4450 bekannt. Eine solche Anordnung dient beispielsweise zur Erfassung der Temperaturdifferenz zweier Flüssigkeiten. Die am Meßort angebrachten Sensorwiderstände sind dabei über drei Leiter, die eine beträchtliche Länge aufweisen können, mit der Schaltung zur Meßauswertung verbunden. Bei der bekannten Anordnung werden zwei Stromquellen benutzt, die jeweils mit den Eingängen eines Instrumentenverstärkers und jeweils mit zwei Leitern verbunden sind. Der dritte Leiter ist einerseits an den gemeinsamen Anschluß der Sensorwiderstände und andererseits an Nullpotential angeschlossen. Eine solche Anordnung, bei der die Sensorwiderstände über drei Leiter mit der Auswerteschaltung verbunden sind, wird als Dreileiterschaltung bezeichnet.

Die Sensorwiderstände werden z. B. in verschiedene Flüssigkeitsbehälter eingebracht, um die Temperaturdifferenz der Flüssigkeit zu bestimmen, indem die Widerstandswerte der beiden Sensorwiderstände gemessen werden.

Nachteilig bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist, daß zwei Stromquellen notwendig sind. Des weiteren sind vor der Messung Abgleicharbeiten erforderlich, um Abweichungen von den gewünschten Werten im Instrumentenverstärker zu kompensieren (z. B. Verstärkungsfehler, Offset). Außerdem geht in das Meßergebnis noch die Temperaturdrift des Instrumentenverstärkers ein. Da es bei vielen Meßvorgängen erforderlich ist, die ermittelten Werte in einer Recheneinrichtung, beispielsweise in einem Microcomputer, zu verarbeiten, wird bei der bekannten Schaltungsanordnung ein Analog-Digital-Umsetzer hinter den Instrumentenverstärker geschaltet. Dadurch geht zusätzlich noch die Temperaturdrift des Analog-Digital-Umsetzers in das Meßergebnis ein.

Die bekannte Schaltungsanordnung eignet sich daher nicht zur Anwendung in Geräten, die marktbedingt in einem unteren Preisniveau angesiedelt sein müssen (low-cost-Geräte), da Analog-Digital-Umsetzer mit sehr geringer Temperaturdrift einen erheblichen Kostenfaktor darstellen.

Ferner ist aus der DE-AS 24 60 079 noch eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Stellung des Schleifers eines Potentiometers bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung werden zwei Spannungen am Potentiometer ermittelt, aus denen die Stellung bestimmt wird.

Aus der DE 29 17 237 A 1 ist eine Widerstandswert-Fernabtastschaltung bekannt, bei welcher der Widerstandswert eines Sensorwiderstandes ermittelt wird. Der Widerstand ist über zwei Leiter mit der Auswerteschaltung verbunden. Zur Kompensation der Leitungswiderstände in den Leitern ist ein weiterer Leiter vorgesehen, der zwischen einem Anschluß des Sensorwiderstandes und einer Kompensationsschaltung angeschlossen ist.

Bei der DE-AS 24 60 079 und der De 29 17 237 A1 werden nicht die Widerstandswerte zweier Sensorwiderstände ermittelt. Auch sind zur Vermeidung von Verstärkungsfehlern, temperaturabhängigen Fehlern bzw. Offset-Fehlern Abgleicharbeiten notwendig.

Des weiteren ist noch aus der DE 31 01 994 A1 eine Schaltungsanordnung zur Messung eines elektrischen Widerstandes bekannt. In dieser Anordnung sind drei Schalter mit jeweils zwei Schließkontakten vorhanden. Der erste Schließkontakt des ersten Schalters verbindet eine Stromquelle mit einem an Masse angeschlossenen Hilfswiderstand; der andere Schließkontakt ist mit einem Analog-Digital- Umsetzer gekoppelt. Der zweite Schalter verbindet die Stromquelle, den Analog-Digital-Umsetzer und einen Referenzwiderstand. Der Referenzwiderstand ist an den massefreien Anschluß des Hilfswiderstandes angeschlossen. Der dritte Schalter verbindet den zu messenden Widerstand, der ebenfalls an den Hilfswiderstand angeschlossen ist, mit der Stromquelle und dem Analog-Digital-Umsetzer. Von den drei Schaltern, die nacheinander betätigt werden, ist jeweils nur einer geschlossen. Eine dem Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltete Recheneinrichtung berechnet aus den drei gemessenen Spannungen am Analog-Digital-Umsetzer den Widerstandswert des zu messenden Widerstands. Die Meßwerte enthalten keine temperaturabhängigen Fehler. Mit dieser Schaltung ist es nicht möglich, die Widerstandswerte zweier in Reihe geschalteter Sensorwiderstände zu messen. Außerdem können die Widerstände nicht ohne weiteres mit Hilfe der Dreileiterschaltung an die Schalter angeschlossen werden. Erforderlich ist bei dieser Anordnung auch die Kenntnis des Stromes, der von der Stromquelle geliefert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes eines ersten Sensorwiderstandes und des Widerstandswertes eines zweiten mit dem ersten in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes zu schaffen, bei dem auf einfache Weise und ohne Abgleicharbeiten die Sensorwiderstände bestimmt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der dritte Leiter mit einem an Nullpotential liegenden Bezugswiderstand verbunden ist,
daß der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers mit einer Digitalrecheneinrichtung verbunden ist,
daß die drei von den Sensorwiderständen wegführenden Leitungen mit den drei Leitungswiderständen mit den Eingängen eines Multiplexers verbunden sind, dessen beide Ausgänge mit den zwei Eingängen des Instrumentenverstärkers verbunden sind,
daß ein weiterer Eingang des Multiplexers auf Nullpotential liegt,
daß der Multiplexer zur Ermittlung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände so geschaltet wird, daß

- die über den ersten Leitungswiderstand, ersten Sensorwiderstand und den zweiten Leitungswiderstand abfallende Spannung U 1,
- die über den zweiten Leitungswiderstand, den zweiten Sensorwiderstand und den dritten Leitungswiderstand abfallende Spannung U 2,
- die am Bezugswiderstand abfallende Spannung U 3 und
- Nullpotential am weiteren Eingang

an die beiden Eingänge des Instrumentenverstärkers angelegt werden und
daß in der Digitalrecheneinrichtung aus den vom Multiplexer weitergegebenen Spannungen und in dem Analog-Digital- Umsetzer daraus erzeugten Digitalwerten die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände gemäß der Gleichungen

berechnet werden, wobei D 1, D 2 und D 3 die Digitalwerte der Spannungen U 1, U 2 und U 3 sind und D 0 der Digitalwert bei Nullpotential am Eingang des Instrumentenverstärkers, Rs der Widerstandswert des Bezugswiderstandes und RL der Leitungswiderstandswert jedes Leiters ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfolgt die Bestimmung der Widerstandswerte der Sensorwiderstände, die über drei Leiter mit weiteren Schaltelementen verbunden sind, auf einfache Weise. Es werden nämlich die Spannungen zwischen den Leitern, die Spannung am Bezugswiderstand und des Nullpotentials bestimmt. Die Spannungen werden hierbei zeitlich aufeinanderfolgend ermittelt. Der Strom, der durch die Leiter fließt, wird durch Messung der Spannung am Bezugswiderstand ermittelt. Mit Hilfe der Messung des Nullpotentials wird bewirkt, daß Verstärkungsfehler, temperaturabhängige Fehler und Offset-Fehler nicht in die Messung eingehen. Daher entfallen die bisher üblichen Abgleicharbeiten für den Instrumentenverstärker.

Die Sensorwiderstände werden beispielsweise zur Temperaturdifferenzmessung benutzt, d. h. bei einer Temperaturänderung ergibt sich eine feststellbare Widerstandsänderung. Die einzelnen Spannungen und Nullpotential können in beliebiger Reihenfolge an den Eingang des Instrumentenverstärkers gelegt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird lediglich eine Stromquelle verwendet. Die Stromquelle muß auch nicht unbedingt temperaturdriftarm ausgelegt werden, da die Messung schnell durchgeführt wird und somit die Messung weitgehend temperaturunabhängig ist. Lediglich der Bezugswiderstand muß hinreichend temperaturdriftarm sein.

Der zur Weitergabe der Spannungen U 1, U 2 und U 3 und des Nullpotentials vorgesehene Multiplexer gestattet es also, daß die einzelnen Leiter auf vorbestimmte Weise auf die Eingänge des Instrumentenverstärkers gegeben werden. Der dem Instrumentenverstärker nachgeschaltete Analog-Digital- Umsetzer setzt das analoge Meßergebnis in einen digitalen Wert um, der in der nachgeschalteten Digitalrecheneinrichtung gespeichert wird, bis die Widerstandswerte der Sensorwiderstände berechnet sind. Um ein genaues Meßergebnis zu erreichen, wird an die Multiplexerschalter lediglich die Anforderung gestellt, daß diese sich bezüglich der Temperaturdrift möglichst gleich verhalten.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung mit zwei Stromquellen und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Messung der Widerstandswerte zweier Sensorwiderstände.

Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Messung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 zweier Sensorwiderstände 1 und 2 ist in Fig. 1 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung umfaßt zwei Stromquellen 4 und 5, die jeweils mit einem der Eingänge 6 und 7 eines Instrumentenverstärkers 8 verbunden sind, dessen Ausgang 9 an einen Analog-Digital-Umsetzer 10 angeschlossen ist. Der Analog- Digital-Umsetzer 10 liefert Digitalwerte beispielsweise an eine Anzeigeeinrichtung. Darüber hinaus ist die Stromquelle 4 an einen Anschluß 11 des Sensorwiderstandes 1 und die Stromquelle 5 an einen Anschluß 12 des Sensorwiderstandes 2 angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Sensorwiderständen 1 und 2 bzw. der gemeinsame Anschluß 13 ist mit Nullpotential verbunden. Sowohl die beiden von den Stromquellen 4 und 5 kommenden Leiter als auch der den gemeinsamen Anschluß 13 mit Nullpotential verbindende Leiter besitzen (naturgemäß) einen Leitungswiderstand 14, 15 und 16 mit einem Widerstandswert RL.

Diese bekannte Schaltungsanordnung wird z. B. zur Temperaturdifferenzmessung benutzt. Sie erfordert zwei Stromquellen, die auf Gleichheit abgeglichen werden müssen. Darüber hinaus müssen Abgleicharbeiten aufgrund der Abweichungen von den gewünschten Werten (z. B. Verstärkungsfehler, Offset) des Instrumentenverstärkers 8 durchgeführt werden. Ebenfalls müssen hohe Anforderungen in bezug auf die Temperaturdrift des Instrumentenverstärkers 8 sowie an die Temperaturdrift des nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzers 10 gestellt werden, was zu teuren Geräten führt.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Messung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der beiden Sensorwiderstände 1 und 2 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung weist lediglich eine Stromquelle 20 auf, die mit einem ersten Leiter 21 verbunden ist. Der erste Leiter 21 ist über den Anschluß 11 an den Sensorwiderstand 1 angeschlossen. Dieser Leiter 21 besitzt naturgemäß einen Leitungswiderstand, der hier durch den Widerstand 22 angedeutet wird. Darüber hinaus ist die Stromquelle 20 mit einem Eingang 23 eines Multiplexers 24 verbunden. Ein zweiter Leiter 25 ist einerseits mit dem gemeinsamen Anschluß 13 der Sensorwiderstände 1 und 2 verbunden und andererseits mit einem zweiten Eingang 26 des Multiplexers 24. Ein dritter Leiter 27 ist einerseits an den Anschluß 12 des Sensorwiderstandes 2 und andererseits zum einen über einen Bezugswiderstand 28 an Nullpotential und zum anderen an einen dritten Eingang 29 des Multiplexers 24 angeschlossen. Ein vierter, mit Nullpotential verbundener Leiter 30 ist auf einen vierten Multiplexereingang 31 gelegt. Auch die zweiten und dritten Leiter 25 und 27 besitzen naturgemäß Leitungswiderstände, die mit 32 und 33 bezeichnet sind.

Die beiden Ausgänge 35 und 36 des Multiplexers 24 sind an die Eingänge 6 und 7 eines Instrumentenverstärkers 8 gelegt. Der Ausgang 9 des Instrumentenverstärkers 8 ist an einen Analog-Digital-Umsetzer 10 angeschlossen, dessen Ausgang 37 mit einer Anzeige- und Digitalrecheneinrichtung 38 verbunden ist.

Zur Bestimmung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände 1 und 2 werden vier Verfahrensschritte durchgeführt. Zunächst wird eine Spannung U 1 zwischen den Leitern 21 und 25 ermittelt. Dann wird eine Spannung U 2 zwischen den Leitern 25 und 27 gemessen und anschließend wird eine Spannung U 3 am Bezugswiderstand 28 zur Bestimmung des durch die Schaltungsanordnung fließenden Stromes erfaßt.

Schließlich verbindet der Multiplexer 24 seinen Eingang 31 mit seinen Ausgängen 35 und 36, so daß an den Eingängen des Instrumentenverstärkers 8 Nullpotential anliegt, und bei dieser Eingangsspannung U 0 ein Digitalwert D 0 in der Recheneinrichtung 38 bestimmt. Die Bestimmung der Ausgangsspannung des Instrumentenverstärkers 8 bei kurzgeschlossenen Eingängen dient dazu, die Abweichung der gemessenen Spannungen vom gewünschten Wert durch Temperaturdrift und andere Einflußfaktoren zu bestimmen.

Die Messung erfolgt unter jeweiliger entsprechender Umschaltung der Eingänge 23, 26, 29 und 31 des Multiplexers 24 auf die Eingänge 6 und 7 des Instrumentenverstärkers 8. Am Ausgang 37 des nachfolgend angeordneten Analog-Digital-Umsetzers 10 werden den Spannungen U 1, U 2, U 3 und U 0 entsprechende Digitalwerte D 1, D 2, D 3 und D 0 geliefert.

Die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der beiden Sensorwiderstände 1 und 2 lassen sich durch Aufstellung von Maschengleichungen bestimmen. Für den Widerstandswert Rsens 1 des Sensorwiderstandes 1 ergibt sich daraus:

Rsens 1 = U 1 Rs/U 3 - RL

und für den Widerstandswert Rsens 2 des Sensorwiderstandes 2 ergibt sich:

Rsens 2 = U 2 Rs/U 3 - RL,

wobei RL der Widerstandswert in einem der Leiter 21 oder 27 und Rs der Widerstandswert des Bezugswiderstandes 28 ist.

In der Digitalrecheneinrichtung 38 werden die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 unter entsprechender Berücksichtigung der Abweichung vom gewünschten Wert, hervorgerufen beispielsweise durch die Temperaturdrift im Instrumentenverstärker 8 und im Analog-Digital-Umsetzer 10, berechnet, d. h. durch entsprechende Berücksichtigung des bei Nullpotential ermittelten Digitalwertes D 0 berechnet. Ein Digitalwert Dn entspricht also der Gleichung

Dn = V Un + D 0,

wobei V die Verstärkung des Instrumentenverstärkers 8 und des Analog-Digital-Umsetzers 10 ist.

Mit Hilfe dieser letztgenannten Gleichung können die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 aus folgenden Gleichungen ermittelt werden:

Bei der Bestimmung der Widerstandswerte werden also die Leitungswiderstände berücksichtigt, die beispielsweise der Digitalrecheneinrichtung 38 als bekannte Konstanten eingegeben werden.

Claims

Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandswertes Rsens 1 eines ersten Sensorwiderstandes (1) und des Widerstandswertes Rsens 2 eines zweiten mit dem ersten in Reihe geschalteten Sensorwiderstandes (2),
mit einer Stromquelle (20), die mit einem Instrumentenverstärker (8) koppelbar ist und die über einen ersten Leiter (21) mit einem ersten Leitungswiderstand (22) an den ersten Anschluß (11) des ersten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, und
mit einem zweiten Leiter (25), der einen zweiten Leitungswiderstand (32) aufweist und der an den zweiten Anschluß (13) des ersten Sensorwiderstandes und den ersten Anschluß (13) des zweiten Sensorwiderstandes angeschlossen ist, dessen zweiter Anschluß (12) über einen dritten Leiter (27), der einen dritten Leitungswiderstand (33) aufweist, mit dem Instrumentenverstärker (8) koppelbar ist, dem ein Analog-Digital-Umsetzer (10) nachgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leiter (27) mit einem an Nullpotential liegenden Bezugswiderstand (28) verbunden ist,
daß der Ausgang (37) des Analog-Digital-Umsetzers (10) mit einer Digitalrecheneinrichtung (38) verbunden ist,
daß die drei von den Sensorwiderständen (1, 2) wegführenden Leitungen (21, 25, 27) mit den drei Leitungswiderständen (22, 32, 33) mit den Eingängen (23, 26, 29) eines Multiplexers (24) verbunden sind, dessen beide Ausgänge (35, 36) mit den zwei Eingängen (6, 7) des Instrumentenverstärkers (8) verbunden sind,
daß ein weiterer Eingang (31) des Multiplexers (24) auf Nullpotential liegt,
daß der Multiplexer (24) zur Ermittlung der Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände (1, 2) so geschaltet wird, daß
- - die über den ersten Leitungswiderstand (22), ersten Sensorwiderstand (1) und den zweiten Leitungswiderstand (32) abfallende Spannung U 1,
- - die über den zweiten Leitungswiderstand (32), den zweiten Sensorwiderstand (2) und den dritten Leitungswiderstand (32) abfallende Spannung U 2,
- - die am Bezugswiderstand (28) abfallende Spannung U 3 und
- - Nullpotential am weiteren Eingang (31)
an die beiden Eingänge des Instrumentenverstärkers (8) angelegt werden und
daß in der Digitalrecheneinrichtung (38) aus den vom Multiplexer (24) weitergegebenen Spannungen und in dem Analog-Digital-Umsetzer (10) daraus erzeugten Digitalwerten die Widerstandswerte Rsens 1 und Rsens 2 der Sensorwiderstände (1, 2) gemäß der Gleichungen berechnet werden, wobei D 1, D 2 und D 3 die Digitalwerte der Spannungen U 1, U 2 und U 3 sind und D 0 der Digitalwert bei Nullpotential am Eingang des Instrumentenverstärkers (8), Rs der Widerstandswert des Bezugswiderstandes (28) und RL der Leitungswiderstandswert jedes Leiters (21, 25, 27) ist.