DE2129567B2 - Schaltung zur linearisierten Messung einer physikalischen Größe - Google Patents

Description

bildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 eine Meßschaltung zur linearisierten Messung der Temperatur mit dem Widerstandsmeßfurder Pt 100,

Fig. 2 die gleiche Schaltung wie in Fig. 1, jedoch mit einer anderen Einrichtung zur Festlegung des Meßbereichs-Nullpunkts.

Soweit is sich in den Zeichnungen um Bauteile gleicher Funktion handelt, werden für diese zur besseren Anschaulichkeit auch gleiche Kennzeichen verwendet.

Wie in Fig. 1 dargestellt, liegt ein Widerstandsmeßfühler 1 über einen Widerstand 2 am Eingang eines Verstärkers 3, der über einen Widerstand 4 gegengekoppelt ist. Eine Konstantstromquelle mit dem Steuertransistor 5, dem ReferenzJement 6 und den drei Widerständen 7, 8, 9 sorgt dafür, daß über den Widerstandsmeßfühler 1 ein eingeprägter Strom fließt. Die Ausgangsspannung u_a würde sich nun streng proportional zur Änderung des Widerstands 1 verhalten, wenn nicht ein Teil von U₁₁ über den Widerstand 10 zum Steuertransistor 5 der Konstantstromquelle zurückgeführt würde. Dadurch wird dem durch das Referenzelement 6 und den Widerstand 8 festgelegten Konstantstrom eine veränderliche, von der Änderung des Widerstands 1 abhängige Komponente überlagert. Da es sich im Prinzip um einen Mitkopplungseffekt handelt, wächst die veränderliche Komponente des eingeprägten Stroms entsprechend der Zunahme des Widerstands 1. Aus dem Produkt des veränderlichen Stroms mit dem veränderlichen Widerstand 1 ergibt sich für die am Widerstand 1 abfallende Spannung eine quadratische Komponente. Diese wirkt der nachlassenden Steigung des Widerstands 1, wie sie z.B. bei einem Platinwiderstands thermometer auftritt, entgegen und wirkt dadurch linearisierend.

Bei Widerstandsmeßfühlern, welche eine Kennlinie besitzen, deren Steigung mit zunehmendem Widerstand wärhst, wie z. B. Nickelwiderstände, kann im Prinzip die gleiche Schaltung verwendet werden. S Dabei darf allerdings die veränderliche Komponente dos eingeprägten Stroms nicht mit Hilfe einer Mitkopplung, sondern muß statt dessen durch eine Gegenkopplung erzeugt werden. Da eine solche Schaltung nichts grundsätzlich Neues bietet und ent-

<io sprechende Widerstände nur sehr selten zur Anwendung kommen, wird hier auf eine genauere Beschreibung verzichtet.

Bei der Schaltung in F i g. 1 wird der Nullpunkt des Meßbereichs durch eine Summenbildung zweier Ströme am Eingang des Verstärkers 3 eingestellt. Hierzu ist eine zweite Konstantstromquelle 15 bis 17 erforderlich, die im Vergleich zur ersten Konstantstromquelle mit einer Spannung entgegengesetzter Polarität gespeist werden muß. Weniger aufwendig

so ist es natürlich, wenn die beiden Konstantstromquellen an einer gemeinsamen Spannung liegen, und besonders vorteilhaft ist es, wenn beide von demselben Referenzelement gesteuert werden. Eine derartige Schaltung zeigt F i g. 2. Die zweite Konstant-

Stromquelle besteht aus dem gemeinsamen Referenzelement 6, dem Widerstand 11 und dem Transistor 12. Der Konstantstrom erzeugt an dem Potentiometer 13 eine Spannung, die über den Widerstand 14 dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 3 zugeführt wird. Da das Meßsignal am invertierenden Eingang des Verstärkers 3 liegt, wird die Ausgangsspannung u_a durch die Differenz der beiden Eingangssignale bestimmt, und so ist es möglich, mit dem Potentiometer 13 den Meßbereichs-Nullpunkt einzustellen.

Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen in dem einfachen Aufbau der Schaltung. Dieselbe Aufgabe, die von bekannten Meßschaltungen nur mit Hilfe mehrerer Verstärker gelöst werden konnte, wird hier mit Hilfe eines einzigen Verstärkers und einer ohnehin notwendigen Referenzstromquelle gelöst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

/ U ι 2 wendig, ein Verfahren anzuwenden, das eine mög- Patentansprüche: liehst exakte Linearisierung erlaubt, so daß dann die

1. Schaltungsanordnung zur linearisierten Mes- Ausgangsgröße proportional der Temperatur ist sung einer physikalischen Größe mit einem (Fundstelle: Electronic journalI Heft 6 1970, S^ 48 ff.) Widerstandsmeßfühler, der seinen Widerstand 5 Bekannte Schaltungen arbeiten mit «pem Diodennach einer nichtlinearen Funktion ändert und der Funktionsgenerator, der aus einem Dioden-Widervon einem eingeprägten Strom durchflossen ist, Standsnetzwerk aufgebaut ist, das im allgemeinen nut der aus einer konstanten und einer von der einem Verstärker zusammenwirkt. Die Dioden sind Widerstandsänderung abhängigen Komponente mit unterschiedlich hohen Vorspannungen versehen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß io und schalten die zugehörigen Prazisionswiderstande dem am Eingang eines Verstärkers (3) üeaenden des Spannungsteilers ein, sobald die Eingangsspan-Widerstandsmeßfühler (1) die konstanterem- nung die jeweilige Vorspannung überschreitet. Auf ponente des eingeprägten Stroms über den Steuer- diese Weise läßt sich jede beliebige Kennlinie mit transistor (5) einer Konstantstromquelle (5 bis 9) Hilfe linearer Teilstucke nachbilden Nachteilig _lst zugeführt ist und dieser Steuertransistor (5) i₅ jedoch die große Zahl benötigter Bauteile, insuesongleichzeitig von einem vom Ausgang des Ver- dere wenn eine gute Annäherung erzielt werden soll, stärkeis (3) abgeleiteten Signal gesteuert ist. und der durch den hohen Temperaturkoeffizienten

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- der Dioden (2,6 mV pro Grad Celsius) bedingte durch gekennzeichnet, daß der Widerstandsmeß- Temperaturregler. (Fundstelle: Instrument ™d Confiihler (1) ein Feldeffekttransistor ist. *> trol Systems, August 1969 S. 102 und 103)

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 Bei digitalen Meßverfahren wird im allgemeinen oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine das analoge Meßsignal ohne vorherige Linearisierung am Eingang des Verstärkers (3) durchgeführte in ein digitales Signal umgewandelt und erst dann Addition eines konstanten Signals zu dem vom einem Linearisierer zugeführt Dieser entha.t em Widerstandsmeßfühler (1) kommenden Signal 25 Programm, mit dessen Hilfe die Zahl der Impulse die Ausgangsgröße des Verstärkers (3) bei dem des Meßsignals entsprechend seiner Unlineantat er-Anfangswert des vorgesehenen Meßbereichs auf höht oder reduziert wird. (Fundstelle: Instrument einen beliebigen Wert eingestellt ist. and Control Systems, August 1969, S. 102 und 103.)

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 Zur Korrektur von Unlineantaten, insbesondere oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur 30 wenn sie einer quadratischen Funktion folgen, ist Einstellung des Meßbereichs-Nullpunkts benötigte eine weitere Linearisierungsmethode bekanritgeworzweite Konstantstromquelle (6, 11, 12) aus der den. Bei dieser liegt der Widerstr.ndsmeßfühler im gleichen Spannungsquelle versorgt wird wie die Rückkopplungskreis eines ersten Verstärkers. Ein zur Speisung des Widerstandsmeßfühlers be- Teil der Ausgangsspannung dieses Verstärkers wird nötigte erste Konstantstromquelle (5 bis 9) und 35 über einen zweiten Verstärker auf seinen Eingang daß das von ihr erzeugte Signal an den nicht- zurückgeführt. Die Einstellung des Meßbereichsinvertierenden Eingang und das Meßsignal an den Nullpunkts und die Verstärkung des Meßsignals erinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers folgen mit einem dritten Verstärker. (Fundstelle: (3) gelegt ist. Funktionsprinzip des Pt-100-Ohm-Temperatur-Meß-

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, da- 40 einschubs Typ 2841 — Prospektblatt der Firma nbn durch gekennzeichnet, daß beide Konstantstrom- Elektronik GmbH, Starnberg — Veröffentlichungsquellen von einem gemeinsamen Referenz- datum unbekannt.)

element (6) gesteuert sind. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zu

finden, die weniger aufwendig aufgebaut ist als die

₄₅ bekannten Anordnungen, jedoch in der Qualität der

Linearisierung diesen nicht nachsteht.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der einzur linearisierten Messung einer physikalischen gangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß dem am Größe mit einem Widerstandsfühler, der seinen Eingang eines Verstärkers liegenden Widerstands-Widerstand nach einer nichtlinearen Funktion ändert 50 meßfühler die konstante Komponente des eingepräg- und der von einem eingeprägten Strom durchflossen ten Stroms über den Steuertransistor einer an sich ist, der aus einer konstanten und einer von der bekannten Konstantstromquelle zugeführt ist und Widerstandsänderung abhängigen Komponente be- dieser Steuertransistor gleichzeitig von einem vom steht. (Fundstelle: Funktionsprinzip des Pt- 100-Ohm- Ausgang des Verstärkers abgeleiteten Signal gesteuert Temperatur-Meßeinschubs Typ 2841 — Prospekt- 55 ist. Eine Variation der Schaltung ist dadurch mögblatt der Firma nbn Elektronik GmbH, Starnberg — lieh, daß der Widerstandsmeßfühler ein Feldeffekt-Veröffentlichungsdatum unbekannt.) transistor ist, dessen Tnnenwiderstand sich in Ab-

Die Widerstandsänderung üblicher Widerstands- hängigkeit von einer Steuerspannung ändert. Hiermeßfühler verläuft im allgemeinen keineswegs streng durch gelingt es, unlinear ansteigende Meßspannungen, linear in Abhängigkeit von der zu messenden physi- 60 z. B. Thermospannungen, dem Feldeffekttransistor kaiischen Größe. Ein typisches Beispiel hierfür sind zuzuführen und dadurch zu linearisiercn. Sofern sich Platinwiderstandsmeßfühler, deren Kennlinie sich im die Unlinearität des Feldeffekttransistors nicht mit Bereich von — 180 bis + 800° C ziemlich genau der Unlinearität der Meßspannung zu einer geeigdurch eine quadratische Gleichung darstellen läßt. neten Kennlinienform addiert, ist es möglich, den Die bisher angewandten Methoden eines Zwei- bis 6g Feldcffekettransistor selbst zu linearisieren, so daß Dreipunktabgleichs oder das Verwenden nichtlinearer dessen Innenwiderstand eine lineare Funktion der Skalen ist bei modernen Meßwertumformern und bei nichtlinearen Meßspannung ist.
digitalen Meßgeräten nicht möglich. Hier ist es not- Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiter-