DE3639559A1 - Device for measuring physical quantities - Google Patents

Device for measuring physical quantities

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Abstract

A device for measuring physical quantities such as pressure, temperature and so forth is described, which has a sensor, the resistance value of which changes as a function of this quantity and which is connected in one arm of a measuring bridge, the bridge voltage of which is analog/digital-converted and is processed in a digital computing circuit. The device according to the invention is characterised by the combination of the following features: (a) the measuring bridge exhibits a null error so that the bridge voltage is always not equal to 0V, (b) the bridge voltage is applied to an integrator, the output connection of which is connected to a window comparator and which is reset when the upper window value is reached, and (c) the pulse output signal of the window comparator, the width of which is a measure of the quantity to be measured, is applied to an input connection of a microcomputer circuit which determines from this the physical quantity to be measured.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Mes­ sung physikalischer Größen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for measuring solution of physical quantities according to the generic term of Claim 1.

Es gibt eine Vielzahl von Meßwert-Aufnehmern, deren Widerstands- bzw. Impedanzwert sich als Funktion einer physikalischen Größe, beispielsweise des Drucks, der Temperatur, der Feuchte usw. ändert. Durch die großen Fortschritte im Bereich der Digitaltechnik besteht gegen­ wärtig immer mehr die Tendenz, die Meßwerte derartiger Sensoren in einer digitalen Rechenschaltung weiterzuverar­ beiten.There are a variety of transducers, their Resistance or impedance value as a function of one physical quantity, for example the pressure of the Temperature that changes humidity, etc. By the big ones Advances in the field of digital technology exist against there is an increasing tendency to make such measurements Sensors in a digital arithmetic circuit work.

Eine Einrichtung zur Messung physikalischer Größen, von der bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentan­ spruchs 1 ausgegangen worden ist, ist beispielsweise aus der DE 34 27 743 Al bekannt. Bei dieser Einrichtung wird die Brückenspannung der Meßbrücke mittels eines Differenz­ verstärkers verstärkt und dessen Ausgangssignal analog/di­ gital-gewandelt und dann in einer digitalen Rechenschal­ tung weiterverarbeitet.A device for measuring physical quantities, from of the formulation of the preamble of the patent Proverb 1 has been assumed is, for example DE 34 27 743 Al known. With this facility the bridge voltage of the measuring bridge by means of a difference amplifier amplified and its output signal analog / di gital-converted and then in a digital computing scarf processing processed.

Diese bekannte Einrichtung hat damit den Nachteil, daß zusätzlich zu der Rechenschaltung, beispielsweise einer Mikrocomputer-Schaltung, ein immer noch vergleichsweise teurer Analog/Digital-Wandler erforderlich ist.This known device has the disadvantage that in addition to the arithmetic circuit, for example one Microcomputer circuit, a still comparatively expensive analog / digital converter is required.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung physikalischer Größen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auf die Verwendung teurer Bauteile, wie Analog/Digital-Wandler verzichtet werden kann. The invention has for its object a device for measuring physical quantities according to the generic term of claim 1 so that the Use of expensive components, such as analog / digital converters can be dispensed with.  

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is with their Developments characterized in the claims.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß in der Regel heute als digitale Rechenschaltungen Mikrocomputer- Schaltungen verwendet werden, die bereits eine Zeitbasis, bespielsweise einen Taktimpulsgeber oder ein Standardpro­ gramm, dessen zeitlicher Ablauf genau bekannt ist, aufwei­ sen.The invention is based on the knowledge that in the Rule today as digital computing circuits microcomputer Circuits are used that already have a time base, for example a clock pulse generator or a standard pro gram, the timing of which is known exactly, sen.

Deshalb wird erfindungsgemäß die Brückenspannung inte­ griert und aus dem integrierten Signal mittels eines Fensterkomparators ein impulsbreiten-moduliertes Signal erzeugt. Damit ist gemeint, daß der vom Fensterkomparatur abgegebene Impuls eine Länge hat, die gleich der Zeit ist, in der das Ausgangssignal des Integrators vom unteren "Fensterwert" des Komparaturs auf den oberen Fensterwert ansteigt. Die Breite des Ausgangssignals des Fensterkompa­ raturs ist damit umgekehrt proportional zur Meßbrücke. Da kleine Spannungswerte als Brücken-Ausgangssignal damit Probleme bereiten würden, wird absichtlich ein großer Nullpunktsfehler erzeugt. Das hierbei entstehende zusätz­ liche Signal überlagert sich dem eigentlichen Meßsignal additiv und kann später leicht subtrahiert werden. Aus diesem Grunde darf auch der Sensor einen großen Nullpunkt­ fehler besitzen.Therefore, according to the invention, the bridge voltage is inte griert and from the integrated signal by means of a Window comparator a pulse width modulated signal generated. This means that the window comparator delivered pulse has a length that is equal to the time in which the output signal of the integrator from the bottom "Window value" of the comparison to the upper window value increases. The width of the window compa's output raturs is therefore inversely proportional to the measuring bridge. There small voltage values as a bridge output signal Problems would intentionally become a big one Zero error generated. The resulting additional Liche signal is superimposed on the actual measurement signal additive and can be easily subtracted later. Out for this reason the sensor may also have a large zero point own mistakes.

Aus dem Impuls-Ausgangssignal kann die Mikrocomputer- Schaltung ohne weiteres die zu messende physikalische Größe unter Berücksichtigung der Gerätekonstanten bestim­ men.From the pulse output signal, the microcomputer Circuit easily the physical to be measured Size taking into account the device constants men.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the invention are in the subclaims  specified.

Im Anspruch 2 ist eine einfache Möglichkeit gekennzeich­ net, den Nullpunktsfehler der Meßbrücke zu erzeugen. Die im Anspruch 2 gekennzeichnete Möglichkeit hat den Vorteil, daß die Meßbrücke durch Öffnen der Verbindung des zusätz­ lichen Widerstands für andere Anwendungen leicht in einen abgeglichenen Zustand zurückgesetzt werden kann.In claim 2, a simple possibility is characterized net to generate the zero point error of the measuring bridge. The possibility marked in claim 2 has the advantage that the measuring bridge by opening the connection of the additional resistance for other applications easily into one balanced state can be reset.

Gemäß Anspruch 3 erfolgt das Rücksetzen des Integrators nach Überschreiten des oberen Fensterwertes des Kompara­ tors mittels eines Rücksetz-Widerstandes, über den ein Signal mit zur Brückenspannung entgegengesetzter Polarität an den Eingangsanschluß des Integrators anlegbar ist. Hierzu kann beispielsweise ein Analogschalter vorgesehen werden, der den zusätzlichen Widerstand mit dem Eingangs­ anschluß des Integrators verbindet. Die Steuerung des Analogschalters kann durch die abfallende Flanke des Impulses des Fensterkomparators erfolgen.According to claim 3, the integrator is reset after exceeding the upper window value of the Kompara tors by means of a reset resistor over which a Signal with opposite polarity to the bridge voltage can be applied to the input connection of the integrator. For this purpose, an analog switch can be provided, for example be of additional resistance with the input connection of the integrator connects. The control of the Analog switch can by the falling edge of the Impulse of the window comparator take place.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch gemäß Anspruch 4, wenn der Widerstandswert des Rücksetz-Widerstandes temperatur­ abhängig ist. Aus der Rücksetz-Zeit, die beispielsweise über einen weiteren Impuls des Fensterkomparators in den Mikrocomputer eingebbar ist, kann der Mikrocomputer die Umgebungstemperatur bestimmen. Die Messung der Umgebungs­ temperatur kann beispielsweise zur Kompensation einer Temperaturdrift des Sensors benutzt werden (Anspruch 5).According to claim 4, however, it is particularly advantageous if the resistance value of the reset resistor temperature is dependent. From the reset time, for example via a further pulse from the window comparator in the Microcomputer can be entered, the microcomputer can Determine the ambient temperature. Measuring the ambient temperature can compensate for a Temperature drift of the sensor can be used (claim 5).

Da in der Regel die größte Temperaturabhängigkeit jedoch die Integrationskonstante aufweist, ist es auch möglich, zusätzlich oder anstelle der in Anspruch 5 genannten Temperaturkompensation gemäß Anspruch 6 über einen Analog­ schalter ein zusätzliches Eingangssignal an den Integrator anzulegen und das Differenzsignal zu erfassen. Hieraus kann ohne weiteres die Integrationskonstante berechnet werden.As a rule, however, the greatest temperature dependence has the integration constant, it is also possible in addition to or instead of those mentioned in claim 5 Temperature compensation according to claim 6 via an analog switch an additional input signal to the integrator  apply and record the difference signal. Out of this can easily calculate the integration constant will.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat nicht nur den Vor­ teil, daß sie einfach und kostengünstig aufgebaut ist, darüberhinaus kann durch die erfindungsgemäße Einrichtung auch ein zusätzliches Standard-Analog-Signal, beispiels­ weise ein genormtes 4...20 mA Stromsignal zur Meßwertaus­ gabe bereitgestellt werden. Diese Bereitstellung kann entweder durch einen unabhängigen Analogteil oder eine Rückumwandlung des digitalen Ausgangssignals des Mikrocom­ puters erfolgen.The device according to the invention not only has the front partly that it is simple and inexpensive, moreover, by the device according to the invention also an additional standard analog signal, for example a standardized 4 ... 20 mA current signal for the measured value gift will be provided. This deployment can either through an independent analog part or a Reverse conversion of the digital output signal of the Mikrocom puters.

Im Anspruch 8 ist eine einfache Möglichkeit gekennzeich­ net, gleichzeitig das analoge und das digitale Signal über eine Zweidraht-Leitung zu übertragen. Dies ist insbesonde­ re dann von Vorteil, wenn die gesamte Einrichtung in einen Sensor eingebaut ist und die Weiterverarbeitung des vom Mikrocomputer bzw. dem Analogausgang bereitgestellten Meßsignals an einer anderen Stelle erfolgt.In claim 8, a simple possibility is characterized net, at the same time the analog and the digital signal to transmit a two-wire line. This is in particular re then advantageous if the entire facility is in one Sensor is installed and the further processing of the Microcomputer or the analog output provided Measurement signal takes place at another point.

Gegebenenfalls ist es gemäß Anspruch 9 auch möglich, die Einrichtung über diese Zweidraht-Leitung mit dem Betriebs­ strom zu versorgen. Selbstverständlich ist es in diesem Falle dann erforderlich, daß der Betriebsstrom der Ein­ richtung unter 4 mA liegt, wenn beispielsweise ein Stan­ dard-Stromsignal zwischen 4 mA und 20 mA verwendet wird.If necessary, it is also possible according to claim 9 Establishment via this two-wire line with the company to supply electricity. Of course it is in this If necessary then that the operating current of the A direction is below 4 mA if, for example, a Stan dard current signal between 4 mA and 20 mA is used.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen:The invention is based on an embodiment example with reference to the drawing be wrote in the show:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 1 is a block diagram of a device according to the invention,

Fig. 2 den Signalverlauf bei Überlagerung eines Strom- Analogsignals und des digitalen Ausgangssignals. Fig. 2 shows the waveform when superimposing a current analog signal and the digital output signal.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung, die eine Meßbrücke 1 mit vier Widerständen 11, 12, 13 und 14 aufweist, von denen einer einen Wider­ standswert hat, der sich in Abhängigkeit von der zu mes­ senden Größe ändert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist zu dem Widerstand 11 ein weiterer Widerstand 15 parallel geschaltet, der zu einer "Verstimmung" der Brücke im Grundzustand führt. Da bei dem gezeigten Ausführungs­ beispiel an die Brücke eine positive Referenzspannung angelegt ist, ist die Brückenspannung V B immer positiv. Fig. 1 shows a block diagram of a device according to the invention, which has a measuring bridge 1 with four resistors 11 , 12 , 13 and 14 , one of which has a resistance value which changes depending on the size to be measured. In the exemplary embodiment shown, a further resistor 15 is connected in parallel with the resistor 11 , which leads to a “detuning” of the bridge in the basic state. Since in the embodiment shown, for example, a positive reference voltage is applied to the bridge, the bridge voltage V B is always positive.

Die Brückenspannung V B ist an die Eingangsanschlüsse eines Integrators 2 angelegt, dessen Ausgangsanschluß mit einem Fensterkomparator 3 verbunden. Unter Fensterkomparator wird ein Bauelement verstanden, dessen Ausgangssignal sich bei Überschreiten eines "unteren Fensterwertes" von "0" auf "1" und bei Überschreiten eines "oberen Fensterwertes" von "1" auf "0" ändert.The bridge voltage V B is applied to the input connections of an integrator 2 , the output connection of which is connected to a window comparator 3 . A window comparator means a component whose output signal changes from "0" to "1" when a "lower window value" is exceeded and from "1" to "0" when an "upper window value" is exceeded.

Der Ausgangsanschluß des Fensterkomparators 3 ist mit einer Mikrocomputerschaltung 4, beispielsweise einem Ein- Chip-Mikrocomputer sowie einem elektronischen Analogschal­ ter 5 verbunden, der durch die abfallende Flanke des Ausgangsimpulses des Komparators 3 geschlossen und bei­ spielsweise durch die ansteigende Flanke geöffnet wird.The output terminal of the window comparator 3 is connected to a microcomputer circuit 4 , for example a one-chip microcomputer and an electronic analog switch 5 , which is closed by the falling edge of the output pulse of the comparator 3 and is opened for example by the rising edge.

Bei geschlossenem Analogschalter 5 ist eine negative Spannung über einen Widerstand 6 an den Eingangsanschluß des Integrators 2 angelegt. When the analog switch 5 is closed, a negative voltage is applied to the input terminal of the integrator 2 via a resistor 6 .

Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:The circuit described works as follows:

Durch die positive Brückenspannung, die am Eingangsan­ schluß des Integrators (2) anliegt, steigt die Ausgangs­ spannung des Integrators linear zur Eingangsspannung als Funktion der Zeit an. Bei Überschreiten des unteren Fen­ sterwertes des Fensterkomparators (3) ändert sich dessen Ausgangssignal von "0" auf "1". Dieses Signal liegt an einem Eingangsanschluß der Mikrocomputerschaltung (4) an. Wird im Verlaufe der Zeit auch der obere Fensterwert des Fensterkomparators überschritten, so ändert sich nicht nur das Ausgangssignal des Fensterkomparators von "1" auf "0", durch die abfallende Flanke des Impulses wird auch der Analogschalter (5) geschlossen, so daß eine negative Spannung am Eingangsanschluß des Integrators anliegt, durch die der Integrator rückgesetzt wird. Der Mikrocompu­ ter kann aus der Länge der vom Fensterkomparator erzeugten Impulse beispielsweise durch Vergleich mit einer Zeitbasis bei bekannten Gerätekonstanten (Verstärkung etc.) die am Eingangsanschluß des Integrators anstehende Spannung und damit die Brückenspannung bestimmen, die - wie bekannt - ein Maß für den Widerstandswert des Widerstandssensors und damit für die zu messende physikalische Größe ist.Due to the positive bridge voltage, which is present at the input terminal of the integrator ( 2 ), the output voltage of the integrator increases linearly with the input voltage as a function of time. If the lower window value of the window comparator ( 3 ) is exceeded, its output signal changes from "0" to "1". This signal is present at an input terminal of the microcomputer circuit ( 4 ). If the upper window value of the window comparator is exceeded in the course of time, not only does the output signal of the window comparator change from "1" to "0", the falling edge of the pulse also closes the analog switch ( 5 ), so that a negative There is voltage at the input terminal of the integrator, which resets the integrator. The Mikrocompu ter can determine from the length of the pulses generated by the window comparator, for example by comparison with a time base for known device constants (amplification, etc.) the voltage present at the input terminal of the integrator and thus the bridge voltage, which - as known - is a measure of the resistance value of the Resistance sensor and thus for the physical quantity to be measured.

Darüber hinaus ist es möglich, durch die Verwendung eines temperaturabhängigen Widerstandes (6) aus der für das Rücksetzen des Integrators benötigten Zeit die Umgebungs­ temperatur zu bestimmen, so daß das Sensorsignal, das unvermeidlich eine gewisse Temperaturdrift zeigt, entspre­ chend korrigiert werden kann.In addition, it is possible to determine the ambient temperature by using a temperature-dependent resistor ( 6 ) from the time required for resetting the integrator, so that the sensor signal, which inevitably shows a certain temperature drift, can be corrected accordingly.

Fig. 2 zeigt den Signalverlauf auf einer Zweidraht- Leitung, auf der nicht nur ein "genormtes Analogsignal", beispielsweise ein 4...20 mA-Stromsignal übertragen wird. Der Mikrocomputer berechnet den in den digitalen Impulsen fließenden Strom und senkt vor und nach dem Impulszug den Strom des Stromsignals entsprechend ab, so daß der gemit­ telte Wert des Stromsignals dem analogen Stromsignal entspricht. Fig. 2 shows the signal curve on a two-wire line, on which not only a "standardized analog signal", for example a 4 ... 20 mA current signal is transmitted. The microcomputer calculates the current flowing in the digital pulses and lowers the current of the current signal accordingly before and after the pulse train, so that the mean value of the current signal corresponds to the analog current signal.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden, wie er insbesondere den Ansprü­ chen zu entnehmen ist.The invention is based on an exemplary embodiment game without limiting the general inventive concept kens has been described, in particular how he claims Chen can be seen.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Messung physikalischer Größen, wie Druck, Temperatur etc. mit einem Sensor, dessen Wider­ standswert sich als Funktion dieser Größe ändert, und der in einen Zweig einer Meßbrücke geschaltet ist, deren Brückenspannung analog/digital gewandelt und in einer digitalen Rechenschaltung verarbeitet wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
  • a) die Meßbrücke weist einen Nullpunktsfehler auf, so daß die Brückenspannung immer ungleich 0V ist
  • b) die Brückenspannung an einen Integrator angelegt ist, dessen Ausgangsanschluß mit einem Fensterkompara­ tor verbunden ist, und der bei Erreichen des oberen Fensterwertes zurückgesetzt wird, und
  • c) das Impuls-Ausgangssignal des Fensterkomparators, dessen Breite ein Maß für die zu messende Größe ist, ist an einen Eingangsanschluß einer Mikrocomputer- Schaltung angelegt, die hieraus die zu messende physi­ kalische Größe bestimmt.
1. Device for measuring physical quantities, such as pressure, temperature, etc. with a sensor, the resistance value of which changes as a function of this variable, and which is connected to a branch of a measuring bridge, the bridge voltage of which is converted analog / digital and processed in a digital arithmetic circuit is characterized by the combination of the following features:
  • a) the measuring bridge has a zero point error, so that the bridge voltage is always not equal to 0V
  • b) the bridge voltage is applied to an integrator, the output connection of which is connected to a window comparator, and which is reset when the upper window value is reached, and
  • c) the pulse output signal of the window comparator, the width of which is a measure of the size to be measured, is applied to an input terminal of a microcomputer circuit, which determines the physical size to be measured.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Nullpunkts­ fehlers zu einem Widerstand der Meßbrücke ein weiterer Widerstand parallelgeschaltet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that to generate the zero point error to a resistance of the measuring bridge another Resistor is connected in parallel. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennkeichnet, daß zum Rücksetzen des Integrators ein Rücksetz-Widerstand vorgesehen ist, über den ein Signal mit zur Brückenspannung entgegengesetzter Polarität an den Eingangsanschluß des Integrators anlegbar ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that for resetting the integrator a reset resistor is provided, via which a Signal with opposite polarity to the bridge voltage can be applied to the input connection of the integrator. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Rück­ setz-Widerstandes temperaturabhängig ist und der Mikrocom­ puter aus der Rücksetz-Zeit die Temperatur bestimmt.4. Device according to claim 3, characterized in that the resistance value of the return resistance is temperature-dependent and the Mikrocom computer determines the temperature from the reset time. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer den gemes­ senen Wert der physikalischen Größe unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Sensors korrigiert.5. Device according to claim 4, characterized in that the microcomputer the measured considering the value of the physical quantity corrected the temperature dependency of the sensor. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer zur Bestim­ mung der Temperaturabhängigkeit des Integrators über einen Analogschalter ein Spannungssignal mit bekanntem Wert zusätzlich an den Integrator anlegt.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the microcomputer for determination measurement of the temperature dependence of the integrator  Analog switch a voltage signal with a known value additionally applied to the integrator. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Standard- Analogsignal, beispielsweise ein 4...20 mA Signal, zur Meßwertausgabe bereitgestellt ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in addition a standard Analog signal, for example a 4 ... 20 mA signal, for Measurement value output is provided. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung sowohl des Analogsignals als auch des digitalen Ausgangssignals des Mikrocomputers über die selbe Zweidraht-Leitung der Mikro­ computer den Impulsstrom des zu übertragenden digitalen Signals berechnet und entsprechend dem berechneten Strom­ wert den Strom vor und/oder nach den aufmodulierten Impul­ sen absenkt, so daß der gemittelte Stromwert dem Analog­ signal entspricht.8. Device according to claim 7, characterized in that for the transmission of both the Analog signal as well as the digital output signal of the Microcomputers on the same two-wire line of the micro computer the pulse current of the digital to be transmitted Signal calculated and according to the calculated current worth the current before and / or after the modulated pulse sen lowered so that the average current value the analog signal corresponds. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auch die Stromver­ sorgung der Einrichtung über diese Zweidraht-Leitung erfolgt.9. Device according to claim 8, characterized in that in addition the Stromver supply of the device via this two-wire line he follows.
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