DD300203A7 - Einkanalige Temperaturmeß- und Übertragungsschaltung, insbesondere mit Lichtwellenleitern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronikschaltung, die Widerstandsproportionale optische Signale zur UEbertragung auf einem Lichtwellenleiter mit hoher Genauigkeit bildet, ohne dasz ein groszer Aufwand an Bauelementen notwendig ist. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe mit einem Meszwiderstand in Vierleiterschaltung, einem angeschlossenen Differenzverstaerker und einem nachfolgenden Spannungs-Frequenzwandler so geloest, dasz sich der Meszwiderstand im Strompfad fuer die Erzeugung der Ruecksetzladung befindet und der Ausgang des Spannungs-Frequenzwandlers ueber eine, durch Frequenzteiler gesteuerte UND-Verknuepfung an eine Ausgangsstufe angeschlossen ist. Die Genauigkeit der Stromquelle und des Oszillators des in dieser neuen Schaltungsanordnung benutzten Spannungs-Frequenzwandlers haben keinen Einflusz auf die Anzahl der gesendeten Impulse. Durch die Anordnung eines Kurzschluszschalters und eines Abtast- und Haltegliedes werden Fehler durch Offset-, Drift- und Gleichtaktspannungen vermieden.{Temperaturmeszschaltung; Meszwiderstand; Spannungs-Frequenzwandler; Lichtwellenleiter; optische Meszwertuebertragung; Widerstandsthermometer; automatische Drift- und Offsetkompensation}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendunsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine einkanaligeTemperaturmeß- und Übertragungsschaltung, insbesondere mit Lichtwellenleitern unter Verwendung bekannter Baugruppen. Sie ist überall dort anwendbar, wo Temperaturen mit Widerstandsthermometern genau gemessen werden und eine einkanalige Meßwertübertragung in digitaler Form zu einer Empfangsstation erfolgen sollen. Einsatzgebiete gibt es in der Prozeß- und Automatisierungstechnik. Darüber hinaus ist durch dan Einsatz geeigneter anderer resistiver Wandler auch die genaue Bestimmung anderer technisch-physikalischer Größen möglich.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Erzielung höchster Genauigkeiten bei der Temp> dturmessung ist zum Beispiel nach DD-PS 205524 oder DE-OS 3321862 bekannt, den Spannungsabfall des Meßwiderstandes und eines Referenzwiderstandes, die beide mit demselben Strom gespeist werden, abwechselnd einer A/D-Wandlung zuzuführen, mit rechentechnischon Mitteln aus beiden Meßwerten den Temperaturwert zu berechnen und zur Anzeige zu bringen. Durch dieses hochgenaue Vergleichsverfahren werden die Drift- und Offseteinflüsse einer eventuell notwendigen Verstärkung und der A/D-Wandlur,g beseitigt.

Für die vorgesehene Meßwertübertragung ist dieses Verfahren ungünstig, da zur Bestimmung der Temperatur der Meß- und Referenzwert übertragen werden müßten, eine Unterscheidung zwischen beiden Werten erfolgen muß und ein Meßstellenumschalter mit Ansteuerung notwendig ist. Ein direktes Meßverfahren mit möglichst fehlerfreier Wandlung ist für diese Anwendung technisch sinnvoll.

In der DE-OS 3639558 ist eine Einrichtung zur Messung von Temperaturen beschrieben, bei der eine temperaturabhängige Brückenausgangsspannung nach Verstärkung und A/D-Wandlung direkt ausgewertet wird. Zu/ Ausschaltung der Fehler durch Schwankungen in der Versorgungsspannung ist der temperaturabhängige Widerstand in einer Brückenschaltung angeordnet, und zur Vermeidung des Drift- und Offsetfehlers wird dem A/D-Wandler die Differenz aus der verstärkten Offsetspannung und dem verstärkten offsetspannungsbehafteten Meßwert angeboten. Dafür ist ein Differenzverstärker und eine Speicherschaltung, die über drei Schalter gesteuert wird, vorhanden. Nachteilig ist hier der hohe schaltungstechnische Aufwand zur Fehlerverringerung durch insbesondere die Brückenschaltung und den zusätzlichen Differenzverstärker. Die stabilisierende Wirkung der Brückenschaltung funktioniert außerdem nur in einem stark eingeschränkten Temperaturmeßbereich. Für die A/D-Wandlung kommen in den genannten Patentschriften verschiedene Verfahren zur Anwendung. Für die vorgesehenen Anwendungen können wegen der Notwendigkeit einer Meßwertübertragung nur solche Verfahren zur A/D-Wandlung verwendet werden, die ein der Eingangsgröße proportionales kontinuierliches Signal liefern. Derartige Strombeziehungsweise Spannungsfrequenzwandler sind zum Beispiel nach „radio fernsehen elektronik" 26 (1977) H. 15, S. 507 bekannt. Nachteilig ist dabei das zeitabhängige Ausgangssignal, das eine Synchronisation mit der Empfangsstation notwendig macht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfache integrationsfählgo Elektronikschultung anzugeben, die unter Umgehung der vorgenannten Nachteile ähnlicher Anordnungen widerstandsproportionale elektrische oder optische Signale zuverlässig bildet, ohne daß ein hoher Aufwand an Bauelementen notwendig ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Temperaturmeß- und Übertragungsschaltung, insbesondere mit Lichtwellenleitern zu schaffen, mit der unter Verwendung an sich bekannter Baugruppen eine einkanalige Meßwertübertragung

in digitaler Form zu oiner Empfangsstation möglich sein soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Meßwiderstand in Vierleiterschaltung, einem angeschlossenen Differenzverstärker und einem nachfolgenden Spannungs-Frequenzwandler so gelöst, daß sich der Meßwiderstand im Strompfad für die Erzeugung der Rücksetzladung befindet. Der Ausgang des Spannungs-Frequenzwandlers ist über eine UND-Verknüpfung mit einer Ausgangsstufe verbunden, die

vorzugsweise einen optischen Sender enthält. Die weiteren Eingänge der UND-Verknüpfung sind über Frequenzteiler und

Verzögerungsgatter an den internen Oszillator des Wandlers angeschlossen. Die Frequenzteiler sind dabei so aufgebaut, daß ein

definiertes Sende-Pause-Verhältnis entsteht.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Genauigkeit der Stromquelle und des Oszillators des in dieser neuen Schaltungsanordnung benutzten Spannungs-Frequenzwandlers keinen Einfluß auf die Anzahl der gesendeten Impulse haben. Durch den Wegfall von Prazisionsbauelementen sinkt der Material-, Platz- und Kostenaufwand erheblich. Eine vorteilhafte Verbesserung erfährt diese Lösung durch die Anordnung eines Kurzschlußschalters zwischen den Spannungsabgriffen und eines Abtast- und Haltegliedes zwischen dem Eingangs- und Bezugsspannungsanschluß des Spannungs-Frequenzwandlers. Die Steueranschlüsse beider Elemente sind über eine UND-Verknüpfung so mit den Frequenzteilern verbunden, daß nur im zweiten Drittel der Sendepause der Kurzschlußschalter geschlossen und Abtestbetrieb

eingeschaltet ist. Diese erweiterte Anordnung gestattet zusätzlich die automatische Kompensation des Offset-, Drift- und

Gleichtaktspannungseinflusses. Die Schaltung ist insgesamt so aufgebaut, das wesentliche Teile der Anordnung in einer integrierten Schaltungseinheit

zusammengefaßt werden können.

AusfQhrungsbelsplel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Blockschaltung der Temperaturmeß- und Übertragungsschaltung. Sie enthält als Hauptbestandteil einen bekannten Spannungs-Frequenzwandler 1, der nach dem Integrationsverfahren mit Ladungsmengenausgleich im Einschwellenverfahren (Charge-Balancing) arbeitet. Ihm ist ein Differenzverstärker 2 vorangeschaltet, der mit seinen Eingängen an die Spannungsabgriffe des Meßwiderstandes 3 angeschlossen ist. Der Meßwiderstand 3 liegt im Strompfad zur Erzeugung der Rücksetzladung zwischen Betriebsspannung 7 und Stromquellenanschluß 4.

Dem Differenzverstärker 1 können zur Erhöhung seiner Eingangswiderstände noch zwei Impedanzwandler vorangeschaltet werden oder er kann auch als Instrumentationsverstärker ausgeführt sein. Der Ausgang 3 des Wandlers 1 ist über eine UND-Verknüpfung 12 mit der Ausgangsstufe 14, vorzugsweise ein optischer Sonder, verbundan. Die weiteren drei Eingänge der UND-Verknüpfung 12 sind über zwei Verzögerungsgatter 13, einen ersten Frequenzteiler 10 mit wählbarem Teilungsverhältnis und über den ersten und einen zweiten Frequenzteiler 11 mit 2:1-Teilung an den Oszillatoranschluß 8 angeschlossen. Weiter ist ein Kurzschlußschalter 15 zwischen den Spaniungsabgriffen und ein Abtast- und Halteglied 16 zwischen dem Eingangs- 6 und Bezugsspannungsanschluß 5 des Spannungs-Frequenzwandlers 1 angeordnet.

Die StPuereingänge dieser beiden Elemente sind gemeinsam über eine UND-Verknüpiung 17 mit dem ersten 10 und negierten Ausgang des zweiten Frequenzteilers 11 verbunden. Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Der Spannungsabfall des mit konstantem Strom gespeisten Meßwiderstandes 3 in Vierleitorschaltung wird mit dem Differenzverstärker 2 ''"-"tarkt und dem Spannungs-Frequenzwandier 1 zugeführt. In ihm wird die widerstandsproportionale Eingangsspannung in eine Frequenz umgewandelt. Innerhalb des Wandlers 1 bestimmt der Widerstand R die Größe des Eingangsstromes des Integrators. Erreicht seine Ausgangsspannung die Schaltschwelle des Komparator, wird dem Integratoreingang eine konstante Rücksetzladung zugeführt. Dies erfolgt so, daß während der durch den internen C zillator festgelegten Rücksetzzeit ein konstanter Rücksetzstrom eingespeist wird. Da als Rücksetzstrom ebenfalls der Strom benutzt wird, mit dem der Meßwiderstand 3 gespeist wird, kompensieren .sich Fehler durch Stromänderungen. An die Stabilität der Stromquelle brauchen deshalb keine hohen Anforderungen gestellt zu werden. Bei einem derartigen Charge-Balancing-Umsetzer wirken sicii Änderungen des Integrationskondensators C, Drift der Komparatorschwelle, Schaltzeiten des Komparator? und in bestimmten Grenzen Linearitätsfehler und Verzögerungszeiten des Integrators nicht auf die Wandlerkennlinie aus, wenn diese Größen über einen integrationsvorgang konstant bleiben. Das ist der große Vorteil der vorgeschlagenen Schaltung. Zur Umwandlung der Ausgangsfrec,uenz in eine von der Empfangsstation auswertbare zeitunabhängige Impulszahl ist die UND-Verkm pfung 12 vorhanden, dia über die Frequenzteiler 10,11 vom internen Oszillator des Wandlers 1 gesteuert wird. Durch diese Verknüpfung hat wiedarum die Stabilität des internen Oszillators keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Es brauchen keine Präzisionsbauelemente eingesetzt zu werden. Das Ausgangssignal ist duich die Anordnung und Dimensionierung der Frequenzteiler 10,11 so aufgebaut, daß ein Sende-Pause-Verheltnis von 1:3 entsteht. Die Sendepause ist notwendig, damit der angeschlossene Auswerterechner die Impulszahl ohne zusätzliche Synchronisation empfangen und verarbeiten kann. Die Verzögerungsgatter bewirken eine Verkürzung der Sendeimpulse zur Reduzierung des Leistungsbedarfs.

Als Ausgangsstufe 14 arbeitet eine Infrarot-LED mit Lichtwellenleiteranschluß. Die Ausgangsfrequenz f. der Schaltung berechnet sich zu

, V · R_x · f.

und die gesendete Impulszahl z,

f. · z, _ V · R, · z, " f. R

Zi ist die durch das Frequenzteilerverhältnis festgelegte maximal mögliche Impulszahl während der Sendezeit. Für eine konstante von der Umgebungstemperatur unabhängige Verstärkung V sind geringste Offset- und Driftwerte des Differenzverstärkers 2 notwendig. Derartige Bauelemente sind sehr kostenaufwendig und schwer erhältlich. Deshalb wird im zweiten Drittel der Sendepause der Meßwiderstand 3 mit dem Schalter 15 kurzgeschlossen und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 2, die sich jetzt aus der verstärkten Offsetspannung ergibt, einem Abtast- und Halteglied 16, das sich im Abtastbetrieb befindet, zugeführt. Nach dem Öffnen des Schalters Ί5 und Umschaltung auf Haltebetrieb wirkt am Eingang des Integrators die Differenz zwischen gespeichertem Offsetspannungswert und offsetspannungsbehafteten Meßwert. Durch diese Anordnung arbeitet der Differenzverstärker mit einem automatischen Nullpunktabgleich, durch den die Einflüsse der Offset-, Drift- und Gleichtaktspannung verschwinden. Bei genügend großer Verstärkung V wird auch die verbleibende Drift- und Offsetspannung des Integrators im Wandler 1 vernachlässigbar. Für den Schalter 15 wird ein mechanischer Schaltkontakt mit einem gegenüber dem Meßwiderstand 3 vernachlässigbaren Kontaktübergangswiderstand benutzt. Die Genauigkeit der gesamten Anordnung wird damit lediglich durch die Differenzverstärkung und den Widerstand R beeinflußt. Die Differenzverstärkung läßt sich mit zwei Widerständen einstellen, so daß insgesamt nur für drei Bauelemente eine höhere Präzision gefordert wird.

Claims (2)

1. EinkanaligeTemporaturmeß- und Übertragungsschalu ^g, "sbesondere mit Lichtwellenleitern, bestehend aus einem Meßwiderstand in Vierleiterschaltur j mit einem an den Spannungsabgriffen angeschlossenen Differenzverstärker und nachfolgendem Spannungs-Frequenzwandler mit Ladungsmengenkompensation, einem Kurzschlußtohalter, einem Abtast- und Halteglied, Frequenzteilern, einer Ausgangsstufe und anderen logischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (3) am Stromquellenanschluß (4) des Spannungs-Frequenzwandlers (1), der Kurzschlußschalter (15) zwischen den Spannungsabgriffen des Meßwiderstandes (3) und das Abtast- und Halteglied (16) zwischen dem Eingangs- (6) und Bezugsspannungsanschluß (5) des Spannungs-Frequenzwandlers (1) angeordnet sind, der Ausgang (9) des Spannungs-Froquenzwandlers (1) über eine UND-Verknüpfung (12) mit der Ausgangsstufe (14) verbunden ist, wobei die weiteren drei Eingänge der UND-Verknüpfung (12) einmal über Verzögeriingsgatter (13), einmal über einen ersten Frequenzteiler (10) mitwählbarem Teilungsverhältnis und einmal über einen zweiten Frequenzteiler (11) mit 2:1-Teilung und den ersten Frequenzteiler (10) an den Oszillatoranschluß (8) des Wandlers (1) gelegt sind und daß vom Ausgang des ersten Frequenzteilers (10) und vom negierten Ausgang des zweiten Frequenzteilers (11) eine in der weiteren UND-Verknüpfung (17) zusammengefaßte gemeinsame Steuerverbindung für den Kurzschlußschalter (15) und das Abtast- und Halteglied (16) vorhanden ist.

2. Temperaturmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Frequenzwandler (1), der Differenzverstärker (2), die Frequenzteiler (10,11), die Verzögerungsgatter (13) und die UND-Verknüpfungen (12,17) in einer integrierten Schaltungseinheit zusammengefaßt sind.