DD242491A1

DD242491A1 - Widerstands-strom-wandler

Info

Publication number: DD242491A1
Application number: DD24243882A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Hennig
Original assignee: Geraberg Thermometer
Priority date: 1982-08-12
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1987-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Widerstands-Strom-Wandler zum vorzugsweisen Anschluss quotientenbildender Messeinrichtungen, insbesondere Analog-Digital-Umsetzer, zum hochgenauen Messen von Widerstaenden, Widerstandsverhaeltnissen oder anderer physikalischer Groessen mit Linearisierung der Anzeige. Es ist Ziel und Aufgabe, einen Wandler zu schaffen, mit dem hochgenau digital elektrische Widerstaende gemessen werden koennen, wobei nur ein Vergleichswiderstand das Messergebnis beeinflusst. Die Aufgabe wird geloest, indem ein erster Stromanschluss eines Messwiderstandes mit Vierleiteranschluss mit einem Messstromausgang und ein zweiter Stromanschluss des Messwiderstandes mit einer Messstromquelle verbunden ist und zwischen den Potentialanschluessen des Messwiderstandes und einem Vergleichsstromausgang ein Spannungs-Strom-Wandler zwischengeschaltet ist, wobei die beiden Ausgangsstroeme entgegengerichtet sind. Die Differenz beider Stroeme ist durch Zusammenschaltung beider Stromausgaenge entnehmbar. Anwendungsgebiete: Widerstandsmessung, Temperaturmessung, Dehnungsmessung in allen Gebieten der Volkswirtschaft. Fig. 2

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Widerstands-Strom-Wandler zum vorzügsweisen Anschluß quotientenbildender Analog-Digital-Umsetzer, mit dem hochgenau und automatisch zwei elektrische Widerstände mit Vierleiteranschluß vergleichend oder solche physikalischen Größen gemessen werden, die sich auf Widerstände oder Widerstandsverhältnisse abbilden lassen, wobei Kennlinienlinearisierung bei Vorliegen nichtlinearer Meßwiderstände möglich ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind verschiedene Schaltungsanordnungen bekannt, die es gestatten, zwei in Vierleiterschaltung angeschlossene Widerstände derart zu vergleichen, daß eine Ausgangsgröße proportional zur Widerstandsdifferenz oder zum Widerstandsquötienten der beiden Widerstände ist. So wird im US-Patent 3.490.038 eine Widerstandsmeßvorrichtung mit Magnetflußmodulator beschrieben, bei der das Verhältnis der Ströme, die durch einen zu messenden Widerstand und einen Vergleichswiderstand fließen, so eingestellt wird, daß an beiden Widerständen genau die gleiche Spannung abfällt. Das Stromverhältnis entspricht dabei dem Widerstandsverhältnis. Die Schaltung wird mit zwei unabhängigen, galvanisch getrennten Stromquellen realisiert. Dieser zusätzliche, wegen der notwendigen Potentialtrennung und der erforderlichen Stabilität der Stromquellen erforderliche Aufwand stellt einen wesentlichen Nachteil dar, weil entweder hochstabile Stromquellen vorhanden sein müssen oder bei begrenzter Stabilität die Stromquellen ständig einer Nachregelung bedürfen. Das Stromverhältnis bei dieser Erfindung wird mit einem Gleichstromkomparator ermittelt, der zur Potentialtrennung einen Magnetflußmodulator enthält und bei dem das zu ermittelnde Stromverhältnis mechanisch eingestellt werden muß, wodurch die Automatisierung des Meßvorganges sehr erschwert wird.

Eine Schaltung, die auf sehr einfache Weise eine Ausgangsspannung, die proportional zur Differenz zweier Widerstände mit Vierleiteranschluß ist, bereitstellt, wird in der DE-OS 2904216 beschrieben.

Sie beinhaltet ebenfalls zwei potentialfreie Gleichstromquellen, die mit zwei magnetischen Stromwandlern und Gleichrichtern realisiert werden. Die Genauigkeit dieser Stromwandler begrenzt die Meßgenauigkeit der Widerstandsmessung. Schwankungen des Primärstromes des Stromwandlers verursachen einen relativen Fehler der Ausgangsspannung. Bei größeren Differenzen zwischen den Widerständen erhöht das den absoluten Meßfehler. Den letztgenannten Fehler weist auch eine Schaltungsanordnung auf, die in der Zeitschrift „Prüfen + Messen" Jahrgang 1982, Heft 5, Seite 296 bis 298 beschrieben ist. Diese Schaltungsanordnung benötigt zwar keine, die elektromagnetische Störempfindlichkeit vergrößernden, magnetischen Spezial- oder Präzisionsbauelemente mehr, jedoch ist eine galvanisch getrennte Spannungsquelle notwendig, die einem Operationsverstärker die Betriebsspannung liefert.

Durch die SU-PS 533838 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der der Einfluß des Meßstromes, Stromgleichheit durch die zu vergleichenden Widerstände vorausgesetzt, durch die Bildung des Quotienten auf der Differenzspannung an den Widerständen und dem Meßstrom kompensiert wird.

Die Quotientenbildung erfolgt mit einem Quotientenmeßwerk. Die Erfindung besitzt jedoch den Nachteil, daß das Ausgangssignal elektronisch nicht weiterverarbeitet werden kann, da die Ausgangsgröße die mechanische Auslenkung eines Zeigers ist. Außerdem beinhaltet die Erfindung keine näheren Angaben zur Realisierung der beiden galvanisch getrennten Stromquellen, die in einem sogenannten Ausgleichsblock enthalten sein müssen. Alle bekannten Anordnungen haben den gemeinsamen Nachteil, daß ein Analog-Digital-Umsetzer nicht direkt anschließbar ist, wenn der Einfluß des Meßstromes eleminiert werden soll und daß keine Möglichkeit zur Kennlinienlinearisierung besteht.

-2-Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist deshalb, einen Widerstands-Strom-Wandler zu schaffen, der eine automatische, hochgenaue Messung von elektrischen Widerständen oder anderer physikalischer Größen bei Verwendung von quotientenbildenden Meßeinrichtungen, insbesondere integrierenden Analog-Digital-Umsetzern, mit einer analogen Kennlinienlinearisierung, bei Verwendung billigster Referenzspannungsquellen, unter industriellen Bedingungen ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Widerstands-Strom-Wandler für zwei Widerstände mit Vierleiteranschluß zu schaffen, der den Einfluß von Driften des Meßstromes beseitigt und eine analoge Kennlinienlinearisierung, eine automatische Korrektur der Thermospannungen auf den Meßleitungen und der Offsetspannungen der Operationsverstärker sowie eine hohe Störsicherheit bei minimaler Eigenwärmung durch Impulsbetrieb ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster Stromanschluß eines Meßwiderstandes mit Vierleiteranschluß mit einem Meßstromausgang und ein zweiter Stromanschluß des Meßwiderstandes mit einer Meßstromquelle verbunden ist und zwischen den Potentialanschlüssen des Meßwiderstandes und einem Vergleichsstromausgang ein Spannungs-Strom-Wandler liegt, dessen Ausgangsstrom dem Strom am Meßstromausgang entgegengerichtet ist. Über die Ermittlung des Ausgangsstromverhältnisses kann damit das Verhältnis des Meßwiderstandes zu einem Vergleichswiderstand bestimmt werden, wobei der Vergleichswiderstand im Spannungs-Strom-Wandler enthalten ist und das Wandlerverhältnis festlegt.

Um einfache und hochgenaue Spannungs-Strom-Wandler verwenden zu können, deren Potentialbereich des Stromausganges eingeschränkt ist, ist erfindungsgemäß eine Spannungsquelle in den Meßstromausgang oder in den Vergleichsausgang zwischengeschaltet. Die Stabilität dieser Spannungsquelle hat keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Ihre Stromergiebigkeit muß jedoch so groß sein, wie der Strom der Meßstromquelle. Zweckmäßigerweise kann diese Spannungsquelle durch eine Zusammenschaltung von Fotoelementen oder bei Anwendung des Impulsbetriebes, durch einen Kondensator ersetzt werden, .der mit Halbleiterschaltern verbunden ist. Wenn der Meßeingang eines Analog-Digital-Umsetzers mit dem Vergleichsstromausgang und der Referenzeingang des Analog-Digitalumsetzers mit dem Meßstromausgang verbunden ist, entspricht der Meßwert dem Verhältnis des Meßwiderstandes zum Vergleichswiderstand. Durch diese Anordnung kann ein sehr großer Meßbereich erfaßt werden, ohne daß eine Meßbereichsumschaltung notwendig ist.

Weiterhin ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstromausgang und der Vergleichsstromausgang miteinander verbunden sind und einen Differenzstromausgang bilden und ein Referenzstromausgang durch eine Referenzstromquelle gebildet wird, deren Strom proportional zu dem Strom ist, den die Meßstromquelle erzeugt und der dem, aus dem Differenzstromausgang fließenden Strom vorzugsweise entgegengerichtet ist. Wird der Meßeingang mit dem Differenzstromausgang und der Referenzstromausgang mit dem Referenzeingang einer quotientenbildenden Meßeinrichtung verbunden, kann zur hochgenauen Messung in einem kleinen Meßbereich eine Meßeinrichtung niedriger Auslösung verwendet werden. Dieser Vorteil gestattet die Verwendung billiger Analog-Digital-Umsetzer. Beim Einsatz dieser Anordnung für größere Meßbereiche ist eine Meßbereichsumschaltung jedoch vorteilhaft. Sie wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß der Vergleichswiderstand aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände besteht und die Potentialanschlüsse des Spannungs-Strom-Wandlers für den Vergleichswiderstand, wahlweise an verschiedene Anschlüsse dieser Reihenschaltung angeschlossen sind. Die Vorteile der Vierleiterschaltung bleiben dadurch erhalten, obwohl zur Umschaltung des Vergleichswiderstandes nur ein Umschalter benötigt wird. ' ·

Eine besondere Vielzahl von Werten des Vergleichswiderstandes wird erhalten, wenn beide Potentialanschlüsse miteinander kombiniert umgeschaltet werden. So kann der Vergleichswiderstand zum Beispiel hundert verschiedene Werte annehmen, wenn die beiden Potentialanschlüsseje über den Bereich einerWiderstandsdekadeumgeschaltetwerden.Mitder Umschaltung des Vergleichswiderstandes läßt sich außerdem der Grundwert eines tolleranzbehafteten Meßwiderstandes ausgleichen. Die Durchlaßwiderstände der Schalter gehen dabei nicht in das Meßergebnis ein. Der beschriebene Widerstands-Strom-Wandler ermöglicht eine analoge Kennlinienlinearisierung und besitzt eine hohe Störunterdrückung, die durch den Anschluß eines integrierenden Analog-Digital-Umsetzers sowie die Anwendung des Impulsbetriebes noch verbesseri-werden kann. Außerdem ist eine automatische Nullpunktregelung möglich, die die Thermospannungen auf den Meßleitungen und Offsetspannungen im Spannungs-Strom-Wandler kompensiert. Der Aufbau des Analog-Digital-Umsetzers vereinfacht sich, da dieser keine Referenz- und Stromquellen mehr enthalten muß.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel für eine Meßeinrichtung, die das Verhältnis von einem Meßwiderstand zu einem Vergleichswiderstand ausgibt, zeigt Figur 1. Der Spannungs-Strom-Wandler W ist mit zwei als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkern aufgebaut, die die Spannung an den Potentialanschlüssen des Meßwiderstandes Ri auf die Potentialanschlüsse des Vergleichswiderstandes R₂ übertragen. Die Spannungsfolger gewährleisten eine minimale Strombelastung der Potentialanschlüsse beider Widerstände. Der Strom, der durch den Vergleichswiderstand R₂ fließt, wird an einem seiner Stromanschlüsse über den Kanal eines Feldeffekttransistors ausgekoppelt und über den Vergleichsstromausgang 2 zum Meßeingang E_M geführt. Der Vergleichsstrom i_v ergibt sich danach aus der Formel:

"•j wobei i_v der Vergleichsstrom

^~V ^S ^"M * R » Ϊμ der Meßstrom

2 Ri der Meßwiderstand

und R₂ der Vergleichswiderstand ist.

Der Meßstrom Ϊμ, den die Meßstromquelle \m, erzeugt fließt über den Meßwiderstand Ri und die Spannungsquelle U zum Meßstromausgang 1 und von dort in den Referenzeingang E_R des Analog-Digital-Umsetzers ADU, der das Stromverhältnis und damit das Widerstandsverhältnis ausgibt.

Die Potentialanschlüsse des Referenzwiderstandes R₂ sind zweckmäßigerweise umschaltbar ausgeführt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Figur 2. Der Vergleichsstromausgang 2 des Spannungs-Strom-Wandlers W ist mit dem Meßstromausgang 1 zu einem Differenzstromausgang 3 verbunden, dessen Differenzstrom i_Dsich zu

i_D = i_v - im ergibt

Mit Gleichung (T) folgt daraus

R₂

Dieser Differenzstrom iq fließt über einen Widerstand in den, auf Massepotential liegenden, Meßstromeingang E_M des Analog-Digital-Umsetzers ADU. Die dadurch am Differenzstromausgang 3 anliegende Spannung, welche zum Differenzstrom io proportional ist, wird zur Linearisierung der nichtlinearen·Wandlerkennlinie genutzt und direkt oder über einen Impedanzwandler mit Hilfe eines Spannungsteilers zu einer Referenzspannung U_ref addiert.

Diese Spannung wird einem Spannungs-Strom-Wandler zugeführt, der die Meßstromquelle Im bildet und in bekannter Weise aus einem Operationsverstärker, einem Feldeffekttransistor und einem Widerstand besteht. Die Referenzstromquelle I_R ist ebenso ausgeführt und mit ihrem Referenzstromausgang 4 an den Referenzeingang Er des Analog-Digital-Umsetzers ADU angeschlossen. Sie wird direkt von der Referenzspannung Ur^ angesteuert. Das Verhältnis der Ströme Im und ir verändert sich mit dem Meßwiderstand R₁, wodurch die Übertragungssteilheit der Meßanordnung beeinflußt wird. Die in der Figur 2 dargestellte Schaltungsanordnung dient der Korrektur degressiver Meßwiderstände wie z. B. Platin-Widerstandsthermometer. Das Verhalten von Meßwiderständen mit progressiver Übertragungsfunktion kann linearisiert werden, wenn die Steuerspannungen der Meßstromquelle Im und der Referenzstromquelle Ir gegenüber der Anordnung in Figur 2 vertauscht sind. Die Referenzspannung U_ref beeinflußt das Meßergebnis nicht, wenn sie sich proportional zur negativen Betriebsspannung Ub ändert, was in bekannter Weise sehr einfach realisiert werden kann.

Impulsbetrieb und die Nullpunktregelung lassen sich realisieren, indem die Meßstromquelle Im an- und abgeschaltet wird. Dabei kann für die Nullpunktregelung als Regelgröße vorteilhaft das Ausgangssignal des im Analog-Digital-Umsetzers ADU vorhandenen Integrators verwendet werden. Die Stellgröße kann entweder eine Konstantstromquelle steuern, die an dem Meßeingang E_M angeschlossen ist oder sie kann zur Steuerung der Offsettspannung des Spannungs-Strom-Wandlers W benutzt werden.

Für höchste Ansprüche an die Meßgenauigkeit läßt sich der Einfluß einer unzureichenden Gleichtaktunterdrückung der Operationsverstärker im Spannungs-Strom-Wandler W stark reduzieren, wenn die Betriebsspannung der Operationsverstärker jeweils ihren Eingangsspannungen nachgeführt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Widerstands-Strom-Wandler, bestehend aus einer Stromquelle, einem Widerstand mit Vierleiteranschluß und einem Spannungs-Strom-Wandler, der einen das Wandlerverhältnis bestimmenden Vergleichswiderstand mit Vierleiteranschluß enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Stromanschluß eines Meßwiderstandes (Ri) mit Vierleiteranschluß mit einem Meßstromausgang (1) und ein zweiter Stromanschluß des Meßwiderstandes (R-i) mit einer Meßstromquelle (I_M) verbunden ist und zwischen den Potentialanschlüssen des Meßwiderstandes (R-i) und einem Vergleichsstromausgang (2) ein Spannungs-Strom-Wandler (W) liegt, dessen Ausgangsstrom dem Strom am Meßstromausgang (1) entgegengerichtet ist.
2. Widerstands-Strom-Wandlernach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Meßstromausgang (1) oder zum Vergleichsstromausgang (2) eine Spannungsquelle. (U) in Reihe geschaltet ist.
3. Widerstands-Strom-Wandler nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstromausgang (1) und der Vergleichsstromausgang (2) zu einem Differenzstromausgang (3) miteinander verbunden sind und ein Referenzstromausgang (4) durch eine Referenzstromquelle (Ir) gebildet wird, deren Referenzstrom (ir) proportional zum Meßstrom (i_M) und vorzugsweise entgegengerichtet zum Differenzstrom (ic) ist.
4. Widerstands-Stromwandler nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswiderstand (R2) aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände besteht und die Potentialanschlüsse des Spannungs-Strom-Wandlers (W) für den Vergleichswiderstand (R₂) wahlweise an verschiedene Anschlüsse dieser Reihenschaltung angeschlossen sind.