DE4420998A1

DE4420998A1 - Schaltungseinrichtung zum genauen Messen eines elektrischen Widerstandes

Info

Publication number: DE4420998A1
Application number: DE19944420998
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl Ing Steffen
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: HYDROMETER ELECTRONIC GMBH, 90451 NUERNBERG, DE
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2014-06-18
Also published as: DE4420998C2; FR2721406A3; FR2721406B3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zum genauen Messen eines elektrischen Widerstandes.

Eine solche Schaltungseinrichtung führt die präzise Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes auf die Messung der Zeitkonstante eines RC-Gliedes zurück, wobei R der unbekannte, d. h. der zu messende elektrische Widerstand und C die Kapazität eines elektrischen Kondensators ist, die miteinander in Reihe schaltbar bzw. in Reihe geschaltet sind.

Die Funktionsweise bzw. der Meßablauf einer solchen bekannten, einen Microcontroller aufweisenden Schaltungseinrichtung ist wie folgt:
Zuerst wird bei offenem zweiten und offenem dritten Schaltanschluß des Microcontrollers, dessen erster Schaltanschluß geschlossen. Hierdurch wird die Versorgungs- Gleichspannungsquelle mit dem elektrischen Kondensator verbunden und der elektrische Kondensator auf die Nennspannung der Versorgungs-Gleichspannungsquelle aufgeladen. Der Ladestrom des elektrischen Kondensators konvergiert hierbei zeitlich gegen Null, so daß der Innenwiderstand der Versorgungs-Gleichspannungsquelle für die Endspannung am elektrischen Kondensator insbes. dann keine Rolle spielt, wenn die Ladezeit ausreichend lang gewählt wird. Sobald der Kondensator auf die Nenngleichspannung aufgeladen ist, wird der erste Schaltanschluß geöffnet. Das wird durch die Steuerung des Microcontrollers bewirkt. Anschließend wird der dritte Schaltanschluß geöffnet und gleichzeitig der Zähler des Microcontrollers gestartet. Durch das Schließen des dritten Schaltanschlusses ergibt sich eine Entladung des Kondensators über den an den dritten Schaltanschluß angeschlossenen zu messenden elektrischen Widerstand. Diese Entladung erfolgt bekanntermaßen nach einer exponentiellen Zeitfunktion. Sobald eine vorgegebene Schwellenspannung an dem am Unterbrecheranschluß des Microcontrollers angeschlossenen Komparator erreicht bzw. unterschritten wird, schaltet der Ausgang des Komparators derart, daß der Zähler des Microcontrollers über den Unterbrecheranschluß gestoppt wird. Der Zählerstand des Zählers ist folglich ein Maß für den zu bestimmenden elektrischen Widerstand, wenn die Kapazität des Kondensators bekannt ist.

Da der elektrische Kondensator des RC-Gliedes eine Kapazitätstoleranz und eine Temperaturabhängigkeit aufweist, wird bekanntermaßen noch eine Vergleichsmessung mit einem bekannten Referenzwiderstand durchgeführt. Zu diesem Zwecke wird die oben beschriebene Meßprozedur wiederholt, wobei an Stelle des dritten Schaltanschlusses der zweite Schaltanschluß des Microcontrollers aktiviert wird, an den der genannte Referenzwiderstand angeschlossen ist. Als Ergebnis der mit dem Referenzwiderstand durchgeführten Meßprozedur liegt dann ein dem Referenzwiderstand entsprechender Zählerstand vor.

Die beiden Zählerstände genügen idealerweise den Gleichungen:

(1) Z_x = K·R_x·C

(2) Z_ref = K·R_ref·C.

Aus den Formeln (1) und (2) kann dann der zu messende elektrische Widerstand zu

berechnet werden mit

Z_x = dem zu messenden elektrischen Widerstand entsprechender Zählerstand
Z_ref = dem Referenzwiderstand entsprechender Zählerstand
C = Kapazität des elektrischen Kondensators
K = Konstante
R_x = Widerstandswert des zu messenden elektrischen Widerstandes,
R_ref = Widerstandswert des Referenzwiderstandes.

Die oben angegebene Formel (3) berücksichtigt jedoch noch nicht, daß der zweite und der dritte Schaltanschluß Innenwiderstände R_on aufweisen. Unter Berücksichtigung dieser Innenwiderstände R_on, die für den zweiten und den dritten Schaltanschluß als gleich groß angenommen werden können, ergeben sich für die Zählerstände entsprechend den oben angegebenen Formeln (1) und (2) die folgenden Gleichungen:

(4) Z_x = K·(R_x + R_on)·C

(5) Z_ref = K·(R_ref + R_on)·C.

Ohne genaue Kenntnis der Innenwiderstände R_on ist es folglich nicht möglich, den Wert des zu messenden elektrischen Widerstandes zu berechnen bzw. zu bestimmen. Die Innenwiderstände R_on sind von verschiedenen Parametern abhängig. Im Falle einer Realisierung einer solchen Schaltungseinrichtung in CMOS-Technologie hängen die Innenwiderstände R_on von der Temperatur, von der Versorgungsspannung und von der Prozeßsteuerung ab.

Zur Abschätzung der genannten Innenwiderstände R_on sind die folgenden Verfahren bekannt:

Die Innenwiderstände R_on werden in der Produktion individuell gemessen und dem Microcontroller mitgeteilt. Damit wird die Prozeßsteuerung erfaßt. Wenn die Temperatur der Schaltungseinrichtung und die Temperaturabhängigkeit der Innenwiderstände R_on bekannt sind, kann der entsprechende Widerstandswert jedes Innenwiderstandes R_on abgeschätzt werden. Gleiches gilt für die Abhängigkeit der Innenwiderstände R_on von der Versorgungsspannung. Falls diese und die Funktionsabhängigkeit jedes Innenwiderstandes R_on von der Versorgungsspannung bekannt sind, kann der entsprechende Innenwiderstand R_on bestimmt werden. Werden diese drei Parameter berücksichtigt, so ergibt sich neben den entsprechenden individuellen Messungen für jeden Innenwiderstand R_on ein dreidimensionales Korrektur- Kennfeld, aus welchem ein entsprechend hoher Speicher- und Rechenaufwand resultiert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit relativ einfachen Mitteln eine präzise Messung eines elektrischen Widerstandes ermöglicht, wobei im Zusammenspiel mit geeigneten Temperatursensoren exakte Messungen bspw. im Temperaturbereich von größenordnungsmäßig +15°C bis +100°C mit einer Temperaturauflösung von < 0,1 K und einem Meßfehler von < 0,1 K möglich sein sollen.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteiles des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß der Microcontroller einen vierten Schaltanschluß aufweist, an den ein zweiter Referenzwiderstand angeschlossen ist, ist es möglich, zu jeder Messung des unbekannten elektrischen Widerstandes den aktuellen Wert des Innenwiderstandes des zugehörigen Schaltanschlusses zu bestimmen.

Zusätzlich zu den oben in Verbindung mit der bekannten Schaltungseinrichtung der gattungsgemäßen Art beschriebenen Messungen des nicht bekannten elektrischen Widerstandes und des ersten Referenzwiderstandes wird mit der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung also mittels des zweiten Referenzwiderstandes eine dritte Messung durchgeführt. Entsprechend den weiter oben angegebenen mathematischen Formeln (4) und (5) ergibt sich für den zweiten Referenzwiderstand

(6) Z_ref2 = K · (R_ref2 + R_on)·C.

Mit R_ref1 = Widerstandswert des zweiten Referenzwiderstandes.

Aus den Gleichungen (4), (5) und (6) ist es folglich möglich, die Innenwiderstände R_on der zugehörigen Schaltanschlüsse zu eliminieren und den unbekannten Widerstand R_x wie folgt zu bestimmen:

Aus der Gleichung (7) wird ersichtlich, daß eine Bestimmung des unbekannten Widerstandes möglich ist, wenn sich die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Referenzwiderstandes voneinander unterscheiden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn sich die Werte des ersten und des zweiten Referenzwiderstandes um einen möglichst großen Wert unterscheiden. Dabei ist außerdem zu beachten, daß die Innenwiderstände der entsprechenden Schaltanschlüsse nur einen begrenzt linearen, d. h. ohmschen Bereich aufweisen. Oberhalb eines bestimmten elektrischen Stromes wird der entsprechende Innenwiderstand zunehmend größer, d. h. er geht in einen nicht linearen Bereich über. Damit die oben angegebenen mathematischen Gleichungen Gültigkeit besitzen, müssen der erste und der zweite Referenzwiderstand derartig dimensioniert sein, daß die Schaltanschlüsse des Microcontrollers stets im Ohmschen, d. h. linearen, Bereich betrieben werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Schaltungsbeispieles der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung.

Die Zeichnung zeigt in einer Blockdarstellung eine Ausführungsform der Schaltungseinrichtung 10 mit einem als Block angedeuteten Microcontroller 12, der einen ersten Schaltanschluß 14, einen zweiten Schaltanschluß 16, einen dritten Schaltanschluß 18, einen vierten Schaltanschluß 20 sowie einen Unterbrecheranschluß 22 aufweist. Jedem der Schaltanschlüsse 14, 16, 18 und 20 ist ein Schalter 24, 26, 28 bzw. 30 zugeordnet. Der Schalter 24 ist zwischen dem ersten Schaltanschluß 14 und einem Spannungsanschluß 32 des Microcontrollers 12 vorgesehen. Die Schalter 26, 28, 30 sind zwischen dem zugehörigen Schaltanschluß 16, 18 bzw. 20 und Masse 34 angeordnet.

An den Spannungsanschluß 32 ist eine Versorgungs- Gleichspannungsquelle 36 angeschlossen, deren Innenwiderstand mit der Bezugsziffer 38 bezeichnet ist. Die Versorgungs-Gleichspannungsquelle 36 ist mit ihrem einen Pol an den Spannungsanschluß 32 angeschlossen und mit ihrem zweiten Pol mit Masse 34 verbunden.

Ein elektrischer Kondensator 40 ist einerseits an den ersten Schaltanschluß 14 und andererseits an Masse 34 angeschlossen. Zwischen dem mit der Bezugsziffer 42 bezeichneten ersten Anschluß des Kondensators 40 und dem zweiten Schaltanschluß 16 ist ein erster Referenzwiderstand 44, zwischen dem dritten Schaltanschluß 18 und dem ersten Anschluß 42 des elektrischen Kondensators 40 ist der zu messende elektrische Widerstand 46 und zwischen dem vierten Schaltanschluß 20 des Microcontrollers 12 und dem ersten Anschluß 42 des Kondensators 40 ist ein zweiter Referenzwiderstand 48 eingeschaltet. Ein Komparator 50 ist zwischen dem ersten Anschluß 42 des Kondensators 40 und dem Unterbrecheranschluß 22 des Microcontrollers 12 eingeschaltet.

Die Schalter 24, 26, 28 bzw. 30 werden mittels einer Steuerung 52 geschaltet, die in der Zeichnungsfigur ebenfalls nur als Block angedeutet ist. Dem Unterbrecheranschluß 22 ist ein ebenfalls nur als Block angedeuteter Zähler 54 zugeordnet.

Zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung 10 mag das nachfolgende Dimensionierungsbeispiel dienen: Zunächst wird die maximale Frequenz des Zählers 54 ermittelt. Diese beträgt bei einem technisch und wirtschaftlich in Frage kommenden 4-bit Microcontroller 12 maximal 250 kHz bei einem 2 MHz Oszillator. Wird die Kapazität des Kondensators 40 aus Platz- und Kostengründen z. B. auf 0,68 µF festgelegt, so ist es möglich, einen leckstromarmen Folienkondensator anzuwenden. Wird die Schwellenspannung des Komparators 50 auf 40% der Spannung der Versorgungs-Gleichspannungsquelle 36 festgelegt, so ist es vorteilhaft möglich, auf der Entladekennlinie des Kondensators 40 noch im Bereich großer Steigung zu sein. Bei dieser Schwellenspannung liegt zwischen dem Beginn der Kondensatorentladung und dem Erreichen der genannten Spannungsschwelle die Zeit

0,915·τ mit τ = R · C.

Aus der Gleichung

d. h.

1 : 250 kHz = 0,915 · R · C

ergibt sich mit C = 0,68 µF für den Widerstand R:

R = 6,4 Ohm.

Der verwendete, zu messende Widerstand 46, welcher einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur bspw. im Bereich zwischen +15°C und +100°C vorgesehen sein soll, sollte seinen elektrischen Widerstand also um mindestens ungefähr 6 Ohm/0,1 K ändern. Diese Bedingung ist von handelsüblichen PTC-Widerständen bzw. von einem PT1000- Widerstand nicht erfüllbar, weil diese wegen ihrer niedrigen Absolutwiderstände eine Größenordnung zu niedrig liegen. NTC-Widerstände sind jedoch zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung geeignet.

Der zweite Referenzwiderstand 44 wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung 10 z. B. derartig gewählt, daß der Maximalstrom durch den vierten Schaltanschluß 20 noch - wie bereits weiter oben erwähnt worden ist - im ohmschen Bereich liegt. Der ohmsche Bereich endet bei einem handelsüblichen 4-bit Microcontroller 12 der oben genannten Art bspw. bei etwa 3 mA. Bei einer Versorgungs-Gleichspannung von z. B. 3 V errechnet sich somit für den zweiten Referenzwiderstand 44 ein Widerstandswert von

R_ref2 = 3 V : 3 mA = 1 k Ohm.

Der erste Referenzwiderstand 44 sollte auf der logarithmischen Achse des Funktionszusammenhanges zwischen Widerstandswert und Temperatur wenigstens annähernd in der Mitte des gegebenen Widerstandswertebereiches liegen, was im konkreten Ausführungsbeispiel für den ersten Referenzwiderstand bspw.

R_ref = 15 k Ohm

ergibt.

Der Komparator 50 ist erforderlich, um die Reproduzierbarkeit der Schaltschwelle sicherzustellen. Würde man bspw. direkt dem Unterbrecheranschluß 22 des Microcontrollers 12 benutzen, so müßte wegen der möglichen internen Verseuchung der Versorgungsspannung mit einem nicht reproduzierbaren Verhalten der Schaltschwelle gerechnet werden. Ist auch die externe Versorgungsspannung verseucht, ist es zweckmäßig, die Versorgungsleitung des Komparators 50 zu filtern. Besonderes Augenmerk ist auf die Leckstromarmut des Komparatoreingangs zu richten.

Die erfindungsgemäße Schaltungseinrichtung 10 weist die Vorteile auf, daß bei Anwendung entsprechender Temperatursensoren bspw. im Temperaturbereich zwischen +15°C und +100°C eine Temperaturauflösung von < 0,1 K und ein Meßfehler von <0,1 K realisierbar ist. Im Temperaturbereich von -15°C bis +130°C kann eine etwas geringere Meßgenauigkeit zulässig sein. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein maskenprogrammierbarer Standard-Microcontroller 12 verwendbar ist, der vergleichsweise preisgünstig zur Verfügung steht. Bei entsprechender Dimensionierung unter Verwendung geeigneter Bauelemente ergibt sich der weitere Vorteil einer äußerst geringen mittleren Stromaufnahme von z. B. größenordnungsmäßig 10 µA, so daß nicht auswechselbare, fest installierte Langzeitbatterien z. B. während einer Zeitspanne von ca. 11 Jahren die Energiequelle bilden können. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung bestehen im minimierten Kostenaufwand für die zur Anwendung gelangenden Komponenten, in den geringen Herstellungskosten sowie im geringen Platzbedarf, so daß sich die erfindungsgemäße Schaltungseinrichtung bspw. bei der Konzeptionierung eines elektrischen Heizkostenverteilers anwenden läßt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum genauen Messen eines elektrischen Widerstandes (46) mit einem Microcontroller (12), wobei an einen ersten Schaltanschluß (14) des Microcontrollers (12) ein elektrischer Kondensator (40) angeschlossen ist, der mit einer Versorgungs-Gleichspannungsquelle (36) verbindbar ist, an einem zweiten Schaltanschluß (16) des Microcontrollers (12) ein Referenzwiderstand (44), an einen dritten Schaltanschluß (18) des Microcontrollers (12) der zu messende Widerstand (46), und an einen Unterbrecheranschluß (22) des Microcontrollers (12) ein Komparator (50) angeschlossen ist, wobei der Microcontroller (12) zum Schalten des jeweiligen Schaltanschlusses (14, 16, 18) eine Steuerung (52) sowie einen mit dem Unterbrecheranschluß (22) verbundenen Zähler (54) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Microcontroller (12) einen vierten Schaltanschluß (20) aufweist, an den ein zweiter Referenzwiderstand (48) angeschlossen ist, wobei der erste und der zweite Referenzwiderstand (44, 48) voneinander verschiedene Nennwiderstandswerte besitzen.

2. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Microcontroller (12) in CMOS-Technologie ausgebildet ist.

3. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (50) ein digitaler Schmitt-Trigger ist.

4. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (50) eine definierte Schwellenspannung aufweist.

5. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (40) ein leckstromarmer Folienkondensator ist.

6. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Referenzwiderstände (44, 48) als NTC- Widerstände ausgebildet sind.