Elektronischer Messwertwandler, insbesondere für Widerstandsgeber Die Erfindung betrifft einen elektronischen Mess- wertwandler, insbesondere für Widerstandsgeber.
Als Messwertwandler wurden bisher, beispielsweise bei Temperaturmessungen mit Widerstandsgebern, in überwiegendem Umfang Kreuzspulmessgeräte einge setzt. Durch die Verwendung eines Kreuzspulinstrumen tes und einer entsprechenden Schaltungsanordnung lässt sich eine Quotientenmessung durchführen, wodurch der Einfluss der sich ändernden Speisespannung auf den angezeigten Messwert ausgeschaltet wird. Die Herstel lung eines Kreuzspulmessgerätes ist jedoch kompliziert und mit grossem zeitlichen und kostenmässigen Auf wand verbunden.
In den meisten Fällen, in denen Kreuzspulmessgerä- te verwendet werden, wäre eine Quotientenmessung mittels Kreuzspule gar nicht erforderlich, wenn es gelänge, die Speisespannung vollkommen konstant zu halten. Hält man die Speisespannung konstant, so wird die Messung zweier veränderlicher Grössen auf die Messung einer veränderlichen Grösse zurückgeführt, nämlich auf die des sich ändernden Widerstandes des Gebers.
Ist die Forderung nach einer Quotientenmessung weggefallen, so kann das Kreuzspulinstrument durch eine Messschaltung ersetzt werden, die nur noch ein normales Drehspulinstrument zur Anzeige benötigt. Eine bekannte Messschaltung ohne ein derartiges Kreuz spulinstrument ist die sogenannte Spannungsbrücke.
Hierbei handelt es sich um eine Wheatstone-Brücke, die in einem ihrer Zweige einen Widerstandsgeber enthält. Mittels eines Drehspulmesswerkes wird der durch die Brückendiagonale fliessende Strom gemessen, der ein Mass für den jeweiligen Widerstandswert des Widerstandsgebers darstellt. Da die Anzeige ausserdem der Speisespannung proportional ist, wird zur Speisung der Brücke eine Konstantspannungs- oder eine Kon stantstromquelle verwendet.
Bei der Spannungsbrücke wird aber durch die Verwendung von Konstantspannungs- bzw. Konstant stromquellen keine Linearität zwischen der Widerstands änderung des Gäebers und ihrer proportionalen Anzeige am Messinstrument erreicht. Die Ursache dieser Nichtli- nearität ist in dem Schaltungsaufbau einer Wheatstone- Brücke zu finden.
Wird beispielsweise eine Konstantstromquelle ver wendet, so liegt in dem mit ihr gebildeten Stromkreis eine Parallelschaltung, die aus den zwei Zweigen der Wheatstone-Brücke besteht, wobei jeder Zweig aus zwei in Serie geschalteten Widerständen zusammengesetzt ist. Ändert sich nun der Widerstandswert des Widerstands gebers in einem Zweig der Brücke, beispielsweise infolge einer Temperaturänderung, so bleibt zwar die Summe der Ströme aus den beiden parallelgeschalteten Zweigen und damit der Gesamtstrom durch die Konstantstrom quelle gleich. Es ändert sich aber jeder der Teilströme in den beiden Zweigen der Brücke aufgrund ihrer Parallel schaltung, obwohl sich nur in einem Zweig der Wider standswert geändert hat. Eine Nichtlinearität und somit eine Verfälschung der Messung bzw.
Anzeige der Wider standsänderung des Widerstandsgebers ist deshalb bei der Spannungsbrücke nicht zu vermeiden. Dieser Fehler wird um so gravierender, je grösser der Temperatur- messbereich des Widerstandsgebers ist. Wird in der Spannungsbrücke eine Konstantspannungsquelle ver wendet, so folgt die Anzeige noch weniger linear .der Widerstandsänderung als bei Verwendung einer Kon- stantstromquelle.
Die Anzeige bei einer Spannungsbrücke wird zusätz lich auch noch durch die Zuleitungswiderstände vom Widerstandsgeber zum Messgerät nicht linear beein- flusst, so dass diese berücksichtigt, bzw. jedesmal abge- glichen werden müssen. Weiterhin wird das Messergeb- nis durch den Schleiferübergangswiderstand bei Verwen dung von niederohmigen Potentiometer- und Stufenstel lungsgebern verfälscht. Für kleine und grosse Tempera turänderungsbereiche sind mehrere verschieden ausge legte Drehspulinstrumente erforderlich, um eindeutig ablesbare Anzeigeergebnisse zu erzielen.
Um die vorstehend geschilderten Nachteile der Spannungsbrücke zu vermeiden, bestand daher die Aufgabe, einen Messwertwandler zu schaffen, der ohne Verwendung eines Kreuzspulinstrumentes eine lineare Anzeige der Widerstandswertänderung eines Gebers ermöglicht, der dabei von den Widerständen der Zulei tungen und von weiteren Fehlerfaktoren nicht beein- flusst wird und nur ein Anzeigeinstrument für den grösstmöglichen Widerstandsänderungsbereich benö tigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Messwertwandler erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass in zwei parallelgeschalteten Zweigen je eine Konstantstromquel le liegt, die einem jeweils mit ihr in Serie geschalteten Widerstand je einen gleichen, konstanten Strom ein prägt, wobei die an den Verbindungspunkten der Kon stantstromquellen mit den zugehörigen Widerständen liegende Spannung über einen Impedanzwandler dem Messinstrument zugeführt wird.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass aufgrund der eingeprägten konstanten Ströme in den beiden parallelen Zweigen der Schaltung eine lineare Anzeige der Widerstandswertän Äderung des Gebers ermöglicht wird. Dadurch wird auch ein erheblicher Schwankungsbereich für die ohmschen Widerstandswerte der Zuleitungen vom Messgerät zum Widerstandsgeber gewonnen. Das bedeutet, dass ohne das Messergebnis zu verfälschen, je nach Einsatzfall verschieden lange Zuleitungen und damit entsprechend unterschiedliche Widerstandswerte der Zuleitungen bei Anwendung einer Dreileiterschaltung zulässig sind, ohne dass nachgeeicht werden muss.
Ebenso geht der Schlei ferübergangswiderstand bei Verwendung von niederoh- migen Potentiometer- und Stufenstellungsgebern in Drei leiterschaltung bis zu einem in der Praxis ausreichenden Wert überhaupt nicht in die Messung ein. Bei Anwen dung einer Zweileiterschaltung reduzieren sich die erfor derlichen Abgleichvorgänge gegenüber einer Spannungs brücke um zwei Drittel. Anhand der Zeichnung werden nachstehend das Prinzip und ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsge genstandes beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Messwertwand- lers, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Messwertwand- lers.
Anhand von Figur 1 soll vorerst das Messprinzip erläutert werden. Um die Schaltung des elektronischen Messwertwandlers zu veranschaulichen, kann man sich die Schaltung in gedanklicher Hilfsvorstellung als eine Brücke vorstellen, in deren beiden parallelen Zweigen 1 und 2, die zur Kennzeichnung in stärkeren Strichen gezeichnet sind, anstelle eines Widerstandes je eine Konstantstromquelle 3 bzw. 4 eingesetzt ist. Jede dieser -beiden Konstantstromquellen erzeugt einen konstanten, gleich grossen Strom. Dieser Strom wird dem mit der Stromquelle 3 in Serie geschalteten Widerstandsgeber 5 bzw. dem mit der Konstantstromquelle 4 in Serie geschalteten Kompensationswiderstand 6 eingeprägt. Für den Messbereichsanfang als gemeinsamen Bezugs punkt hat der Widerstandsgeber 5 den gleichen Wider standswert wie der Kompensationswiderstand 6.
Die beiden gleich grossen Ströme der beiden Stromquellen 3 und 4 erzeugen deshalb an den gleich grossen Wider ständen 5 und 6 gleich grosse Spannungsabfälle, so dass zwischen den Punkten 7 und 8 keine Spannungsdiffe renz entsteht.
Ändert sich nun der Widerstandswert des Gebers 5, so ergibt sich am Punkt 7 des Zweiges 1 ein anderes Potential, als am Punkt 8 des Zweiges 2 der Anordnung. Die entstandene Spannungsdifferenz wird über den hochohmigen Impedanzwandler 9 praktisch leistungslos abgegriffen und mit dem Drehspulinstrument 10 ange zeigt. Obwohl die Zweige 1 und 2 parallel liegen und sich der Widerstandswert des Gebers 5 geändert hat, ändert sich das Potential im Punkt 8 nicht, da der von der Konstantstromquelle 4 dem Kompensationswider stand 6 aufgeprägte Strom konstant bleibt. Daher kann kein Linearitätsfehler und somit auch keine Messwert- verfälschung auftreten.
Die den beiden parallelen Zweigen eingeprägten konstanten Ströme ermöglichen es auch unter entspre chender Dimensionierung der Gesamtanordnung, die unterschiedlichen Widerstandswerte bzw. die gebräuchli chen Längen von Zuleitungen zwischen Geber und Messgerät anzuschliessen, ohne die Klassengenauigkeit zu beeinträchtigen und ohne dass bei Anwendung der Dreileiterschaltung eine Nacheichung erforderlich ist bzw. mit um zwei Drittel verringertem Abgleichaufwand bei Anwendung der Zweileiterschaltung. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber der jetzigen Praxis mit Spannungsbrücken dar, bei denen in jedem Einsatz fall neu geeicht werden muss.
Der durch die Konstantstromquelle 3 dem Wider standsgeber 5 eingeprägte Strom ruft aufgrund seiner konstanten Grösse am Widerstandsgeber stets einen maximal erzielbaren Spannungsabfall hervor. Die Grös- se dieses Spannungsabfalls erlaubt es für den gesamten Widerstandsänderungsbereich des Gebers, also auch wenn der Geberwiderstandswert relativ klein ist, nur ein einziges Anzeigeinstrument zu verwenden und doch eindeutig ablesbare Anzeigeergebnisse zu erhalten.
Figur 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel der Erfindung, das in Dreileiterschaltung ausgeführt ist. Die in Figur 1 erwähnte Konstantstromquelle 3 besteht aus dem Tran sistor 11, den Widerständen 12, 13, 14 und der Zenerdiode 15. Die in Figur 1 mit 4 bezeichnete Konstantstromquelle besteht aus dem Transistor 16, den Widerständen 17 und 18, sowie ebenfalls aus dem Widerstand 14 und der Zenerdiode 15. Jede der beiden Konstantstromquellen ist gleich aufgebaut und arbeitet nach dem Prinzip, mittels der Zenerdiode 15 die Spannung an dem Widerstand 12 bzw. 17 plus der Spannung zwischen Emitter und Basis des Transistors 11 bzw. 16 konstant zu halten.
Durch diese Spannungs- konstandthaltung wird ein genügend konstanter Emitter- strom des Transistors 11 -bzw. 16 erzeugt. Gleichzeitig damit bleibt auch der fast gleich grosse Kollektorstrom des Transistors 11 bzw.
16 konstant, der sich vom Emitterstrom nur durch den vernachlässigbar kleinen Basisstrom unterscheidet. Die Konstanz des Kollektor stromes bleibt für einen veränderlichen Widerstandswert des Gebers 5 stets erhalten, wenn der Spannungsabfall an dem Widerstandsgeber nicht grösser wird als die Differenz zwischen der Betriebsspannung und der Zen erspannung der Zenerdiode 15. Die erforderliche Be triebsspannung liegt an den Klemmen 19 und 20. Durch entsprechende Dimensionierung kann man mit dem Widerstand 13 bzw. 18 den Stabilisierungsfaktor der Konstantstromquelle für einen günstigen Arbeitspunkt auf den Wert unendlich einstellen.
Die Kollektorströme der Transistoren 11 und 16 fliessen über den Wider standsgeber 5 und den Kompensationswiderstand 6 und dann zurück über den Kollektorwiderstand 21, der beiden Transistoren gemeinsam ist. Der Transistor 11 bzw. 16 dient in dem beschriebenen Regelkreis sowohl als Differenzverstärker, als auch als Stellglied. Die beiden Konstantstromquellen sind zueinander in Differenz ge schaltet, wodurch das Konstanthaltungsvermögen erheb lich verbessert ist.
Die zwischen den Punkten 7 und 8 anliegende zu messende Spannung wird hochohmig abgegriffen, um eine lineare und praktisch leistungslose Messung vorneh men zu können. Diese erforderliche Hochohmigkeit wird durch eine Impedanzwandlerstufe in Brückenschaltung erreicht. Diese Brückenschaltung besteht aus den in Differenz geschalteten Transistoren 22 und 23, sowie den Widerständen 24 und 25. Die Transistoren 22 und 23 der Impedanzwandlerstufe sind als Emitterfolger geschaltet. Das bedeutet für die Arbeitsweise dieser Stufe, dass das Basispotential das Emitterpotential der Transistoren mitzieht. Die Basispotentiale unterscheiden sich von den Emitterpotentialen der Transistoren 22 und 23 nur durch den Spannungsabfall an den Basis- Emitter-Strecken.
In Serie zu dem Messinstrument 10 liegt der Widerstand 26. Dieser Widerstand ist ebenso wie der Kompensationswiderstand 6 einstellbar ausgeführt. Mit diesen beiden einstellbaren Widerständen wird die Anordnung an die verschiedenen im Handel erhältlichen Widerstandsgeber bzw. deren unterschiedliche Messbe- reiche und Widerstandswerte angepasst.