DD237898A1

DD237898A1 - Schaltungsanordnung zur erhoehung der messwertaufloesung in der temperaturmesstechnik

Info

Publication number: DD237898A1
Application number: DD27685985A
Authority: DD
Inventors: Martin Kunert; Steffen Berthold; Uwe Kuester
Original assignee: Magdeburg Medizinische Akad
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1986-07-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erhoehung der Messwertaufloesung in Abhaengigkeit von der Messaufgabe und der dabei erforderlichen Genauigkeit insbesondere fuer Anwendungen in der Temperaturmesstechnik, wodurch eine wesentliche Verbesserung der Messgenauigkeit und Linearitaet der Messergebnisse bei verringertem Schaltungsaufwand erreicht werden kann. Das wird dadurch erreicht, dass von einer zentralen digitalen Messwertverarbeitungseinheit in Abhaengigkeit von der absoluten Hoehe des Temperaturmesssignals die Aufloesung der Messverstaerker derart umgeschaltet wird, dass die Genauigkeit des Messergebnisses in bestimmten, frei waehlbaren Bereichen den Prozessanforderungen universell anpassbar ist.

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Es besteht die Aufgabe, eine Temperaturmeßeinrichtung zu schaffen, die auch bei Anwendung in großen Temperaturbereichen eine Erhöhung der Auflösung und Genauigkeit der Meßschaltung unter Verwendung ein und desselben Temperaturfühlers realisiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung aus einem Temperaturmeßwandler, einem zugehörigen Vorverstärker und einer Anzahl von η nachgeordneten schaltbaren Bereichsverstärkern, einem Analog/ Digital-Wandler sowie einer programmierbaren Meß- und Steuereinrichtung (z. B. Mikrorechner) mit einer zugehörigen binären Ein/Ausgabe-Baugruppe besteht, über welche die programmierbare Meß- und Steuereinrichtung das Temperaturmeßsignal x_T aufnehmen und Steuersignale χ_3Ί ....x_Sn an die schaltbaren Bereichsverstärker ausgeben kann.

Hierbei ist der Meßwandler mit dem Eingang des zugehörigen Vorverstärkers und dessen Ausgang mit allen Eingängen der nachgeordneten schaltbaren Bereichsverstärker verbunden, deren Ausgänge zusammengeschaltet und wiederum an den Eingang des Analog/Digital-Wandlers gelegt sind, der das binär gewandelte Temperaturmeßsignal über eine Ein/Ausgabe-Baugruppe der programmierbaren Meß- und Steuereinrichtung zuführt.

Die programmierbare Meß- und Steuereinrichtung ist zusätzlich über Steuerleitungen mit den schaltbaren Bereichsverstärkern verbunden und schaltet so den für den jeweiligen Bereich des Temperaturmeßsignals zuständigen Bereichsverstärker ein. Jeder Bereichsverstärker ist dabei in Verstärkung und Offset derart voreingestellt, daß an seinem Ausgang im zugehörigen Meßsignalbereich derselbe Ausgangssignalumfang erzeugt wird, mit welchem der nachfolgende Analog/Digital-Wandler im gesamten, seiner Auflösung entsprechenden Zahlenbereich, ausgesteuert wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch Einbeziehung einer programmierbaren Steuereinheit in die Vorgänge der Meßwerterfassung und durch die Modularität der Schaltungsanordnung eine größtmögliche Flexibilität und Anpaßbarkeit der Meßtechnik an prozeßbedingte unterschiedliche Meßaufgaben über einen großen Temperaturmeßbereich und die jeweiligen Genauigkeitsanforderungen bei Verwendung ein und desselben Temperaturfühlers erreicht wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich bei möglicher Anwendung beliebiger Meßfühler und Wandlerprinzipien insbesondere für die Messung in großen Temperaturbereichen bei hochgenauer Auflösung gewünschter Teilbereiche und erfüllt somit die Forderungen einer Vielzahl von Meßaufgaben.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführüngsbeispiel inäher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Die Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur umschaltbaren Meßwertauflösung für η

Bereiche, Fig. 2: die Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit programmierbaren

Operationsverstärkern für 2 Bereiche, Fig. 3: die Bereichseinteilung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 für Anwendungen in programmierbaren

Temperturregeleinrichtüngen für die Kryokonservierung biologischen Materials, Fig,4: den Verlauf der Ausgangskennlinien der Bereichsverstärker für den Anwendungsanfall nach Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltung besteht aus einem Temperaturmeßwandler 1, einem dem jeweiligen Wandlertyp entsprechenden Vorverstärker 2, einer nachfolgend angeordneten Gruppe 3 von η schaltbaren Bereichsverstärkern BV₁... BV_n, einem Analog/Digital-Wandler 4, einer programmierbaren digitalen Meß- und Steuereinheit (Mikrorechner— MR) mit zugehöriger Ein/Ausgabe-Baugruppe (EAB) 6.

Die Wirkungsweise der im Prinzip dargestellten Schaltungsanordnung ist folgende:

Das Temperaturmeßsignal Xj wird über den Meßwandler 1 in ein elektrisches Signal Χι gewandelt und dem Eingang eines dem Wandlertyp entsprechenden Vorverstärkers 2 zugeführt, der ein dem Meßsignal proportionales Einheitssignal X₂ erzeugt, das gleichzeitig an die Eingänge aller η schaltbaren Bereichsverstärker BV₁^BV_n gelangt.

Die schaltbaren Bereichsverstärker sind derart voreingestellt, daß sie im jeweils aufzulösenden Meßsignalbereich ein Ausgangssignal X₃ erzeugen, das den zur Vollaussteuerung des nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlers 4 notwendigen Signalpegel überstreicht. Das binär gewandelte Meßsignal x₄wird über die Ein/Ausgabe-Baugruppe 6 der programmierbaren Meß- und Steuereinheit 5 zugeführt, die ihrerseits in Abhängigkeit vom anliegenden Meßsignal und dem vorhandenen Steuerprogramm über die Steuersignale x_s1...x_Sn einen der schaltbaren Bereichsverstärker ein- und alle anderen schaltbaren Bereichsverstärker ausschaltet, so daß im gesamten zu erfassenden Temperaturbereich einzelne ineinander schachtelbare Teilbereiche mit erhöhter Genauigkeit bei voller Auflösung des Analog/Digital-Wandlers eingerichtet werden können.

Die in Fig. 2 dargestellte Prinzipschaltung zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für zwei Meßbereiche, bei der als schaltbare Bereichsverstärker 3 integrierte programmierbare Operationsverstärker zur Anwendung kommen, deren Ausgangsparameter über einen Steuereingang (Set-Strom) beeinflußt werden können.

Die Ankopplung der Bereichsverstärker an Meßwandler 1, Vorverstärker 2, Analog/Digital-Wandler 4 und Mikrorechner 5 geschieht in der bereits beschriebenen Art und Weise.

Die Bereichsverstärker BV1 und BV2 können über die Widerstandsbeschaltung (R 11, R12, R13 bzw. R21,R22, R23) in ihrer Verstärkung sowie durch die Einkopplung der Spannungen Uoi bzw. U₀₂ im Offset voreingestellt werden, so daß sie für den jeweils zu erfassenden Temperaturbereich (Eingangsspannungsbereich Ui) einen der vollen Auflösung des Analog/ Digital-Wandlers 4 entsprechenden Ausgangsspannungsbereich U₂ liefern.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel schaltet der Mikrorechner über eine binäre Steuerleitung x_s mit Hilfe der Schalttransistoren VT1 und VT2und des Negators N1 über die Set-Eingänge der programmieren Operationsverstärker jeweils einen der Bereichsverstärker zu. Der andere Bereichsverstärker wird dann an seinem Ausgang hochohmig und beeinflußt das Meßergebnis nicht.

Fig. 3 stellt eine mögliche Bereichseinteilung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dar, die insbesondere für programmierbare Temperaturregeleinrichtungen zur Anwendung kommen kann, welche die Temperatur in einem großen Bereich zu regeln haben, wobei in einem eingeschränkten Temperaturbereich erhöhte Aufgaben an die Genauigkeit der Meßwerterfassung bestehen.

Dargestellt ist ein möglicher Temperaturverlauf über die Zeit in der Arbeitskammer einer Apparatur zur Kryokonservierung biologischen Materials. Von der zugehörigen Temperaturmeßeinrichtung muß ein Gesamtbreich von T₀ bis T₃ erfaßt werden.

Erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit der Temperaturregelung und somit iherer Messung im dargestellten Fall im Temperaturbereich zwischen T₁ und T₂. Die Bereichsverstärker BV1 und BV2 sind somit derart einzustellen, daß BV1 im Temperaturbereich T₀ — T₃ und Bv2 im Temperaturbereich T₁ —T₂ eine der Aussteuerung des Analog/Digital-Wandlers (U_2mj_n — U_2max) entsprechende Ausgangsspannungsänderung liefert.

Fig. 4zeigt die zugehörige Abhängigkeit der Ausgangsspannungen der Bereichsverstärker BV1 und BV 2 von der zu erfassenden Temperaturfür das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und Fig. 3. DieAusgangsspannungswerteU_2mi_nund U_2max stellen hierbei die Aussteuerungsgrenzen des nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlers dar.

Die Ausgangskennlinien der Bereichsverstärker BV1 und BV2 werden durch die Beziehungen (1) und (2) charakterisiert:

fürBVI: U₂ = V₁(U₀₁ + KT) (1)

für BV2: U₂ = V₂(U₀₂+ K-T) (2)

wobei V₁ und V₂ die Verstärkungsfaktoren, U₀₁ und U₀₂ die Offsetspannungen der Bereichsverstärker darstellen. Der Faktor K ist hierbei ein kombinierter konstanter Übertragungsfaktor von Meßfühler, Meßwandler und Vorverstärker. Der Mikrorechner kann im dargestellten Anwendungsfall ausgehend vom Meßsignal des Bereichsverstärkers BV1 (Grobbereich) im Temperaturbereich zwischen T₁ und T₂ (Feinbereich) den Bereichsverstärker BV2 aktivieren und so bei voller Ausnutzung des'Analog/Digital-Wandlers ein Meßsignal mit erhöhter Auflösung gewinnen.

Claims

Erfindungsanspruch:

Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Meßwertauflösung vorzugsweise in der Temperaturmeßtechnik bei der Verwendung von Mikrorechnern zur Meßwertverarbeitung mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Meßwerterfassung in großen Temperaturbereichen, bestehend aus einem Temperaturmeßwandler 1, einem zugehörigen Vorverstärker 2, einem Analog/ Digital-Wandler 4, einer programmierbaren Meß- und Steuereinrichtung 5 mit zugehöriger Ein/Ausgabe-Baugruppe 6, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich eine Anzahl von schaltbaren Bereichsverstärkern 3 vorhanden ist, wobei der Meßwandler 1 mit dem Eingang des zugehörigen Vorverstärkers 2 und dessen Ausgang mit allen Eingängen der schaltbaren Bereichsverstärker 3 verbunden ist, deren Ausgänge zusammengeschaltet und an den Eingang des Analog/Digital-Wandlers 4 gelegt sind, welcher das Meßsignal über die Ein/Ausgabe-Baugruppe 6 der programmierbaren Meß- und Steuereinrichtung 5 zuführt, die zusätzlich über Steuerleitungen mit den anderen schaltbaren Bereichsverstärkern 3 verbunden ist und diese derart steuert, daß jeweils in Abhängigkeit von dem zu erfassenden Meßbereich einer der schaltbaren Bereichsverstärker ein- und alle anderen schaltbaren Bereichsverstärker ausgeschaltet sind, wobei jeder Bereichsverstärker so voreingestellt ist, daß an seinem Ausgang im jeweils zu erfassenden Temperaturbereich ein und derselbe, zu Vollaussteuerung des Analog/Digital-Wandlers 4 notwendige Ausgangssignalumfang erzeugt wird.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur umschaltbaren Meßwertauflösung in der Prozeßmeßtechnik, vorzugsweise bei der Verwendung von Mikrorechnern zur Meßwertverarbeitung in der Temperaturmeßtechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren der elektronischen Temperaturmeßtechnik nahmen in vielen Bereichen der Forschung und industriellen Praxis mehr und mehr an Bedeutung zu. Dabei stehen Fragen der Meßgenauigkeit und Meßfühlerlinearität zunehmend im Mittelpunkt. Temperaturmeßverfahren hoher Genauigkeit und Linearität sind dabei meist von vornherein auf kleinere Temperaturbereiche eingegrenzt (z. B. BRD-OS 2519335). Bei der Notwendigkeit der Erfassung großer Bereiche sind Kompromisse bezüglich der erreichbaren absoluten Meßgenauigkeit unumgänglich.

Für die Realisierung elektronischer Temperaturmeßeinrichtungen sind eine Vielzahl von Meßfühlertypen bekannt, die sich durch die Art der Wandlung der Temperatur in ein elektrisches Signal (aktiv, passiv) und durch die physikalischen Funktionsprinzipien voneinander unterscheiden {z. B. Thermoelement, ohmscher Widerstand, pn-übergang usw.). Alle Meßfühlerarten besitzen aber mehr oder weniger stark ausgeprägte Grenzen bezüglich der Linearität und Reproduzierbarkeit ihrer Ausgangskennlinien. Deshalb ist eine Vielzahl von Anordnungen bekannt, welche die auftretenden und die Genauigkeit beeinträchtigenden Fühlernichtlineraritäten durch elektronische Schaltungsmaßnahmen kompensieren. Das wird z. B. dadurch erreicht, daß in den nach dem Meßfühlerfolgenden Verstärkerschaltungen durch den Einsatz nichtlinearer Bauelemente eine aufwendige Kompensation der Meßfühlernichtlinearität erfolgt (z. B. SU-PS 1120179, DDR-WP 138820). Andere bekannte technische Lösungen verwenden als Meßfühler Bauelemente mit möglichst großer Linearität ohne Linearisierungsmaßnahmen, z. B. Feldeffekttransistoren (BRD-OS 2519335), Transistor-Oszillator (BRD-OS 2206089), wobei die Genauigkeit des Meßverfahrens und der auflösbare Temperaturbereich von vornherein eingeschränkt ist. Andere bekannte technische Lösungen, die durch erheblichen Schaltungsaufwand gekennzeichnet sind, benutzen zur Linearisierung der Analogschaltung programmierbare Festwertspeicher in Verbindung mit A/D- und D/A-Wandlern (z. B. DDR-WP 215631). Zur Verbesserung der Anwendbarkeit der Temperaturmessung haben sich tendenziell digitale Meßverfahren durchgesetzt (z. B. BRD-OS 2905882). Unter Einbeziehung einer programmierbaren digitalen Meßwertverarbeitungseinheit (Mikrorechner) sind Software-Lösungen zur Linearisierung der Meßfühlercharakteristik bekannt (DDR-WP 206176). Bei anderen technischen Realisierungen greift die Meßwertverarbeitungseinheit als Steuereinrichtung in den Prozeß der Meßwerterfassung ein. Es sind Verfahren bekannt, wo zur Erhöhung der Genauigkeit in einem großen Temperaturbereich verschiedene Meßfühler wahlweise zugeschaltet werden, was einen erhöhten Aufwand bei der Meßfühlerkonstruktion zur Folge hat (z. B. BRD-OS 3022942, SU-PS 1101690).

Andere bekannte Lösungen beeinflussen das Zeitregime der Temperaturmessung (Abtastrate) in Abhängigkeit vom Meßergebnis insbesondere bei Erwärmungs- und Abkühlvorgängen (z. B. DDR-WP 137755), ohne daß die Meßwertverarbeitungseinheit Einfluß auf die Genauigkeit der Auflösung der Meßwerte ausübt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten technischen Lösungen zu vermeiden und eine Temperaturmeßeinrichtung zu schaffen, die bei Verwendung programmierbarer Meßwertverarbeitungseinheiten (Mikrorechner) deren Möglichkeiten zur Erhöhung der Genauigkeit bestimmter Meßbereiche ausnutzt und somit zu einer Erweiterung des Funktionsumfanges und der Anwendbarkeit von Temperaturmeßschaltungen für große Temperaturbereiche mit hohen Genauigkeitsanforderungen führt.