DE3940341A1 - Einrichtung zur verbesserung der genauigkeit einer messwerterfassung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Verbesserung der Genauigkeit einer Meßwerterfassung nach der Gattung des Hauptan­ spruchs.

Bei einigen Methoden zur Meßwerterfassung ist die Empfindlichkeit der Messung abhängig von bestimmten Größen, teilweise ist die Empfindlichkeit auch abhängig von der zu erfassenden Größe selbst. Dabei ist diese Abhängigkeit der Empfindlichkeit oft nichtlinear und führt daher zu erheblichen Problemen, wenn eine genaue Meßwert­ erfassung verlangt wird.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit ist die Lineari­ sierung von solchen Kennlinien, eine solche Linearisierung wird bei­ spielsweise in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentan­ meldung P 39 08 795 vorgeschlagen. In der genannten Patentanmeldung wird ein aus Dickschichtwiderständen gefertigter Drucksensor be­ schrieben, dessen Ausgangsspannung sich abhängig vom herrschenden Druck nichtlinear ändert. Mit Hilfe einer geeigneten Schaltungsan­ ordnung wird die Kennlinie linearisiert, wodurch eine Verbesserung der Genauigkeit erhalten wird.

Weiterhin ist die Linearisierung einer Kennlinie aus dem Artikel "Messen kleiner Temperaturdifferenzen mit Hilfe von NTC-Widerstän­ den" aus "Valvo, Technische Informationen für die Industrie Nr. 159, August 1971" bekannt. In diesem Artikel wird beschrieben, wie die temperaturabhängige Widerstandsänderung eines NTC-Widerstandes, der Teil einer Brückenschaltung ist, linearisiert wird. Dabei ist ein weiterer NTC-Widerstand als Vergleichswiderstand vorgesehen, der so in der Widerstandsbrücke liegt, daß die Brückenspannung ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen Meßwiderstand und Vergleichswider­ stand ist. Durch geeignete Dimensionierung der übrigen Brückenwider­ stände wird erreicht, daß die Brückenspannung im vorgesehenen Meß­ bereich linear ist, obwohl die Temperaturabhängigkeit der beiden NTC-Widerstände einen expotentiellen Verlauf aufweist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Verbesserung der Genauigkeit einer Meßwerterfassung mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Maß­ nahmen den Vorteil, daß die Nichtlinearität der Empfindlichkeit keine Auswirkungen auf die Genauigkeit der Meßwerterfassung hat, da die Meßwerterfassung stets im Bereich optimaler Empfindlichkeit er­ folgt. Durch die erfindungsgemäße Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Kennlinie wird nicht nur eine maximale Auflösung erhalten, diese Vorgehensweise entspricht bei optimaler Verschiebung des Ar­ beitspunktes auch einer Linearisierung, jedoch mit stets der maximalen Ablösung.

Zur Verschiebung des Arbeitspunktes sind verschiedene Schaltungsva­ rianten vorgesehen, die alle von einer Recheneinrichtung angesteuert werden, welche Variante eingesetzt wird, kann in vorteilhafter Weise ausgewählt werden.

Die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen zeigen die insge­ samt möglichen vorteilhaften Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Einrichtung.

Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. In Fig. 1 ist die Tempera­ turabhängigkeit eines Widerstands am Beispiel eines NTC-Widerstands dargestellt, Fig. 2 zeigt eine übliche Schaltungsanordnung zur Temperaturerfassung mit einem NTC, in Fig. 3 ist der Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur für drei un­ terschiedliche Vorwiderstände dargestellt und in den Fig. 4, 5 und 6 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verbesserung der Genauigkeit einer Meßwerterfassung für einen, als Temperatursensor verwendeten NTC-Widerstand abgebildet.

Die Fig. 7 zeigt den Verlauf der Auflösung für eine Anordnung mit drei verschiedenen Vorwiderständen, Fig. 8 zeigt eine entsprechende Anordnung mit drei parallel schaltbaren Vorwiderständen und Fig. 9 eine entsprechende Ausbildung der Schaltelemente mittels Transi­ storen. In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel mit Operationsver­ stärkern (aktiven Dioden) dargestellt und Fig. 11 zeigt eine weite­ re Realisierungsmöglichkeit, bei der ein umschaltbarer Konstantstrom auf den NTC gegeben wird.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist der bekannte Verlauf der Temperaturabhängigkeit eines NTC-Widerstandes abgebildet. Mit zunehmender Temperatur sinkt der Wert eines solchen NTC-Widerstandes deutlich ab. Diese Abnahme er­ folgt jedoch nicht linear sondern expotentiell, dieser nichtlineare Widerstandsverlauf führt zu einer Verringerung der Meßgenauigkeit, falls ein solcher NTC-Widerstand zur Temperaturmessung bei höheren Temperaturen verwendet wird.

In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung angegeben, mit der eine Temperaturerfassung mittels eines NTC durchgeführt werden kann. Wird der temperaturabhängige NTC-Widerstand 10 über einen weiteren Wider­ stand 11 zwischen die Versorgungsspannung U_v und Masse geschaltet, kann an der Klemme 12 zwischen diesen beiden Widerständen 10 und 11 die Ausgangsspannung U_A abgegriffen werden, aus der die Temperatur der NTC ermittelt werden kann.

Je nach Größe des Widerstands 11, der als Pull-up-Widerstand wirkt, weist die Spannung U_v den in Fig. 3 dargestellten Verlauf über der Temperatur auf.

Die Genauigkeit der Temperaturerfassung in einem bestimmten Bereich ist mit einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 abhängig von der Wahl des Pull-up-Widerstandes 11. Je nach Wert des Widerstandes 11 ist die Genauigkeit der Meßwerterfassung bei tiefen Temperaturen gering und bei hohen Temperaturen groß oder genau umgekehrt. Dabei ist wie in Fig. 3 dargestellt für einen kleinen Wert des Widerstandes 11 die Genauigkeit bei tiefen Temperaturen gering, bei mittleren Temperaturen maximal und bei hohen Temperaturen immer noch aus­ reichend (Kurve 1), während bei einem großen Widerstand 11 die Genauigkeit bei tiefen Temperaturen ausreichend, bei mittleren Temperaturen maximal und bei hohen Temperaturen gering ist (Kurve 2). Der Grund für diese Unterschiede ist, daß je nach Wert des Pull-up-Widerstands 11 die am NTC 10 anliegende Spannung verändert wird.

In Fig. 4 ist eine erste erfindungsgemäße Einrichtung zur Erfassung der Temperatur mittels eines NTC-Widerstandes dargestellt, bei der der NTC-Widerstand 10 ebenfalls über einen Vorwiderstand 11 zwischen die Versorgungsspannung U_v und Masse gelegt ist. Der Verbindungs­ punkt 12 zwischen dem NTC 10 und dem Widerstand 11 ist jedoch über einen Analog-Digital-Converter (ADC) 13 in eine Recheneinrichtung 15 geführt, die ebenfalls an der Versorgungsspannung U_v und an Masse angeschlossen ist. Weiterhin liegt noch ein Widerstand 14 parallel zum NTC 10. Dieser Widerstand 14 soll jedoch lediglich einen nicht zu vermeidenden zusätzlichen Widerstand darstellen, der bei den fol­ genden Überlegungen nicht beachtet werden muß.

In Fig. 5 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verbesserung der Genauigkeit einer Meßwerterfassung dargestellt. Da­ bei ist in der aus Fig. 4 bekannten Schaltungsanordnung der Wider­ stand 11 durch ein Widerstandsnetzwerk 16 ersetzt. Der Analog-Digi­ tal-Konverter 13 aus Fig. 4 ist nun Bestandteil einer Rechenein­ richtung, beispielsweise eines Mikrocomputers µC, der als integrier­ ter Baustein IC ausgeführt sein kann. Die Recheneinrichtung 15 be­ einflußt das Widerstandsnetzwerk 16 so, daß eine Verschiebung des Meßbereichs für den NTC-Widerstand 10 erhalten wird. Dazu wird das Widerstandsnetzwerk 16 von der Recheneinrichtung 15 so beeinflußt, daß sich sein Gesamtwiderstand in gewünschtem Maße verändert. Dies geschieht beispielsweise durch Parallelschaltung mehrerer Widerstän­ de. Einzelheiten dazu sind in einem der folgenden Ausführungsbei­ spiele beschrieben.

In Fig. 6 ist eine schaltungstechnische Realisierung des in Fig. 5 angegebenen Erfindungsgedankens ausgeführt. Der NTC-Widerstand 10 ist über den Widerstand 11 mit der Versorgungsspannung verbunden. Parallel zum Widerstand 11 liegt eine Reihenschaltung eines Wider­ standes 17, eines Transistors 18 und eines Widerstandes 19, wobei der Widerstand 17 an den Emitter des Transistors 18 und der Wider­ stand 19 an den Kollektor des Transistors 18 angeschlossen ist.

Die Basis des Transistors 18 ist über einen Widerstand 20 an die Versorgungsspannung und über einen Widerstand 21 an die Rechenein­ richtung 15 angeschlossen. Ein weiterer Widerstand 22 ist mit dem ADC-Eingang 13 der Recheneinrichtung 15 verbunden, der andere Ein­ gang des Widerstandes 22 liegt am Verbindungspunkt 12 zwischen den Widerständen 10 und 11.

Mit der in Fig. 6 angegebenen Schaltungsanordnung kann parallel zum Widerstand 11 die Reihenschaltung der Widerstände 17 und 19 gelegt werden, wodurch sich der Gesamtwiderstand der drei Widerstände 11, 17 und 19 verringert. Zur Messung von tiefen Temperaturen wird der Transistor 18 durch entsprechende Ansteuerung der Recheneinrich­ tung 15 gesperrt. Dadurch wirkt nur der Widerstand 11 als Pull-up- Widerstand, die Genauigkeit bei der Temperaturerfassung ist somit bei tiefen Temperaturen gewährleistet. Unterschreitet die Ausgangs­ spannung des NTC 10, die auf den ADC-Eingang 13 der Recheneinrich­ tung 15 gegeben wird, eine festzulegende Schwelle, dann wird der Transistor so angesteuert, daß er leitend wird. Damit sind dem Widerstand 11 die Widerstände 17 und 19 parallel geschaltet, der Ge­ samtwiderstand ist daher geringer. Durch diese Maßnahme erhöht sich die Spannung U_A, dies entspricht einer Kennlinie 3 nach Fig. 3, damit ist auch im oberen Temperaturbereich eine hinreichend genaue Temperaturerfassung möglich.

Soll die Meßwerterfassung in mehreren Bereichen durchgeführt werden, muß dafür gesorgt werden, daß der Pull-up-Widerstand 11 bzw. das entsprechende Widerstandsnetzwerk 16 mehrteilig ausgebildet sind, dann können mehrere Umschaltungen vorgenommen werden. In den folgen­ den Fig. 7, 8 und 9 ist beispielsweise ein dreiteiliges Wider­ standsnetzwerk vorgesehen.

Die in Fig. 7 aufgetragene Auflösung ΔR/ΔT über der Tempe­ ratur T zeigt den differentiellen Widerstandsverlauf für drei unter­ schiedliche Widerstandswerte des Netzwerks 16. Bei hohem Wider­ stand gilt Kurve A, bei mittlerem Widerstand Kurve B und bei kleinem Widerstand Kurve C. Da der differentielle Widerstand ein Maß für die Auflösung darstellt, je höher der differentielle Widerstand, desto höher ist die Widerstandsänderung bezogen auf eine Temperaturände­ rung und damit auch die Auflösung, wird eine Verbesserung der Meß­ genauigkeit dadurch erreicht, daß die Auflösung immer im höchstmög­ lichen Bereich liegt und jeweils an den Schnittpunkten der Kurven eine Umschaltung erfolgt.

Eine Schaltungsanordnung, mit der ein in Fig. 7 dargestellter Verlauf der Auflösung über der Temperatur T erhalten werden kann, ist in Fig. 8 dargestellt. Dabei entsprechen die Bauteile 10, 14, 15 sowie der ADC 13 den bereits aus Fig. 4 bekannten Bauelementen. Der Pull-up-Widerstand 11 bzw. das Widerstandsnetzwerk 16 wird durch die Widerstände 24, 25 und 26 dargestellt. Diese Widerstände 24, 25 und 26 können über Schaltmittel 27, 28 und 29 zwischen die Versor­ gungsspannung und den Anschluß 12, der seinerseits mit dem ADC ver­ bunden ist, gelegt werden. Die Schaltmittel 27, 28 und 29 werden von der Recheneinrichtung 15 angesteuert. Damit kann je nachdem welcher der Schalter 27 bis 29 geöffnet bzw. geschlossen ist, ein unter­ schiedlicher Gesamtwiderstand mit dem NTC 10 in Serie geschaltet werden.

Wenn der Schalter 27 geschlossen und die Schalter 28 und 29 geöffnet sind, wird ein Verlauf der Auflösung über der Temperatur ent­ sprechend Kurve A erhalten. Ist nur der Schalter 28 geschlossen, die Schalter 27 und 29 dagegen geöffnet, ergibt sich für die Auflösung die Kurve B, entsprechendes gilt für Schalter 29 und Kurve C, wobei für die Widerstandswerte gilt: 24<25<26. Eine stets optimale Auf­ lösung wird dadurch erreicht, daß bei tiefen Temperaturen eine Be­ schaltung entsprechend Kurve A, bei mittleren Temperaturen dagegen eine Umschaltung auf die Beschaltung entsprechend Kurve B und bei hohen Temperaturen eine Beschaltung entsprechend Kurve C erfolgt.

Durch Kombination der einzelnen Widerstände 24 bis 26 also durch das Schließen mehrerer bzw. aller Schalter 27, 28, 29 kann ein Gesamt­ widerstand erhalten werden, der kleiner als einer der Einzelwider­ stände 24, 25, 26 ist. Durch zusätzliche Widerstände, die ent­ sprechend 24, 25 und 26 verschaltet werden können, ist eine beliebig feine Kombination möglich. Die Umschaltung der Schalter 27 bis 29 erfolgt im Rechner so, daß für jede Temperatur im Bereich der gün­ stigsten Auflösung gearbeitet wird.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wider­ stand 24 fest mit der Versorgungsspannung U_v sowie dem NTC-Wider­ stand 10 verbunden. Die Widerstände 25 und 26 können über Transi­ storen 30 und 31, deren Basis jeweils mit der Recheneinrichtung 15 verbunden ist, parallel zum Widerstand 24 geschaltet werden. Dazu werden die Basen der beiden Transistoren 30 und 31 von der Rechen­ einrichtung so angesteuert, daß der Emitter-Kollektor-Widerstand der beiden Transistoren minimal wird. Zusätzliche Widerstände 32 und 33 die zwischen der Basis des Transistors 30 bzw. 31 und der Versor­ gungsspannung U_v liegen ermöglichen eine Feinabstimmung der Span­ nung an Punkt 12, der am NTC 10 und am ADC 13 angeschlossen ist und aus dem die temperaturabhängige Ausgangsspannung des NTC 10 zu ent­ nehmen ist.

In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Umschaltung nicht mit Transistoren sondern mit zwei Ope­ rationsverstärkern 34, 35, zwischen deren nicht invertierenden Ein­ gang und der Recheneinrichtung je eine Schaltstufe 36, 37 liegt, durchgeführt. Am Ausgang der beiden Operationsverstärker 34 und 35 ist jeweils eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode 38 und 39 ange­ ordnet, die über die Widerstände 25 und 26 mit dem Punkt 12 verbun­ den sind. Die Kathoden der beiden Dioden 38 und 39 sind mit dem je­ weiligen invertierenden Eingang der Operationsverstärker 34 und 35 verbunden. Die Widerstände 10 und 24 sind wie aus Fig. 9 bekannt, verschaltet.

Die nichtinvertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker 34 und 35 sind über je einen Widerstand 40 und 41 mit der Versorgungsspannung verbunden.

Mit der in Fig. 10 dargestellten Schaltungsanordnung können mit Hilfe der beiden Operationsverstärker und der Schaltstufen die zu­ sätzlichen Widerstände 25 und 26 zum Widerstand 24 parallel ge­ schaltet werden, wobei die Entscheidung bzw. die Ansteuerung durch die Recheneinrichtung vorgenommen wird. Durch diese Hinzuschaltung der Widerstände 25 und 26 zum Widerstand 24 wird der Gesamtwider­ stand, der dem NTC 10 vorgeschaltet wird verringert. Mit dieser Schaltungsanordnung ist also eine Anpassung der Auflösung möglich, wobei die Umschaltelektronik nur geringe Fehler beispielsweise durch Offset-Größen der Operationsverstarker verursacht.

Anstatt über Schaltelemente Widerstände zu schalten kann auch ein Konstantstrom auf den NTC 10 gegeben werden. Dieser Konstantstrom kann umschaltbar sein oder über eine geregelte Stromquelle quasi stufenlos veränderbar eingeprägt werden. Ein Beispiel für eine solche Lösung mit einer Konstantstromquelle zeigt die Fig. 11. Dabei ist dem aus früheren Figuren bekannten Widerstand 24 die Stromquelle 42 parallel geschaltet. Beeinflußt wird diese Strom­ quelle durch die Recheneinrichtung, deren digitaler Ausgang auf einen Digitalanalogkonverter 43 gegeben wird, dessen analoges Ausgangssignal die Stromquelle 42 verändert.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 11 kann auch dahingehend abge­ ändert werden, daß der Widerstand 24 weggelassen wird und seine Auf­ gabe allein durch die geregelte Stromquelle 42 übernommen wird.

Die Verarbeitung des vom NTC-Widerstand 10 gelieferten Signals er­ folgt für alle Ausführungsbeispiele in der selben Weise in der Recheneinrichtung 15. Je nach eingelesenem Meßwert (Absolutwert) wird in einem Programm entschieden, welcher Wert mit der größten Ge­ nauigkeit gemessen wurde, dieser Meßwert wird dann zur weiteren Aus­ wertung herangezogen.

Berücksichtigt wird in der Recheneinrichtung 15 die Schalterstel­ lung, bei der der Meßwerte ermittelt wurde, berechnet wird die opti­ male Schalterstellung für die nächste Messung. Dabei können auch Kennlinien, die in Speichern der Recheneinrichtung 15 abgelegt sind, berücksichtigt werden.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Verbesserung der Genauigkeit einer Meßwerterfas­ sung bei einem Sensor, dessen Empfindlichkeit sich abhängig von der zu erfassenden Größe verändert, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die dem Sensor zugeordnet werden und seine Empfind­ lichkeit über den Arbeitsbereich so einstellen, daß sie im Bereich der besten Auflösung liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erfassende Größe die Temperatur ist und der Sensor ein temperatur­ abhängiger NTC oder PTC-Widerstand ist, der der zu erfassenden Temperatur ausgesetzt wird und die Mittel elektronische Bauelemente sind, über die der sensor mit der Versorgungsspannung verbunden wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung des temperaturabhängigen Widerstandes (10) und eines Widerstandes (11 bzw. 24) zwischen die Versorgungsspannung und Masse gelegt wird, wobei dem Widerstand (11 bzw. 24) ein Widerstands­ netzwerk mit wenigstens einem weiteren Widerstand parallel geschal­ tet werden kann und die Zuschaltung dieses weiteren Widerstandes mittels einer Recheneinrichtung (15) vorgenommen wird, die einen Schaltvorgang auslöst.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die zwischen den Sensor und die Versorgungsspannung ge­ legt werden können aus je einer Reihenschaltung eines Widerstandes (24, 25, 26) und eines Schalters (27, 28, 29) bestehen, und die An­ steuerung der Schalter (27, 28, 29) durch die Recheneinrichtung (15) erfolgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (27, 28, 29) Transistoren sind, in deren Emitter-Kollek­ tor-Strecken ein Widerstand liegt und deren Basis jeweils mit der Recheneinrichtung (15) verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter Operationsverstärker mit vorgeschaltenen Schaltstu­ fen (36, 37) und nachgeordneten Dioden sind und Schaltstu­ fen (36, 37), die von der Recheneinrichtung (15) angesteuert werden.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit einer Stromquelle (42) verbunden ist, die einen Konstant­ strom liefert, wobei der Konstantstrom stufenweise verändert werden kann.