DE2337579C3

DE2337579C3 - Meßgerät mit Umsetzung einer analogen Meßgrößenspannung in Digitalsignale

Info

Publication number: DE2337579C3
Application number: DE2337579A
Authority: DE
Inventors: Goro Oiso Kanagawa Kobayashi (Japan)
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Japan Society For Promotion of Machine Industry
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Japan Society For Promotion of Machine Industry
Priority date: 1972-07-24
Filing date: 1973-07-24
Publication date: 1979-04-26
Also published as: DE2337579B2; US3889254A; FR2194308A5; GB1435221A; DE2337579A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät der im Oberbegriff des vorstehenden Hauptanspruchs 1 genannten Art.

Bei einem aus der DE-AS 12 50 520 bekannten Meßgerät liegen der Festwiderstand und der Meßwertumformer in dem einen Zweig einer von der äußeren Spannung beaufschlagten Meßbrücke. In einem Zweig der Meßbrücke liegt ein Vergleichsspannungsfestwiderstand, über dem die Vergleichsspannung abfällt. Parallel zu dem Vergleichsspannungsfestwiderstand liegt ein von einem Servomotor verstellbares Meßpotentiometer. Der Schleifer des Meßpotentiometers ist mit dem einen Eingang eines Nullverstärkers verbunden, dessen anderer Eingang über einen Schaltkontakt mit dem Brückenendpunkt verbunden ist, der der Lage des Vergleichsspannungsfestwiderstands in der Brücke entspricht Übf.r einen weiteren Schaltkontaki des Schalters ist der Servomotor mit dem Ausgang des Nullverstärkers verbunden. Beim Obergang der Schaltkontakte von der den Nullverstärker in die Meßbrücke

ίο einschaltenden Schaltstellung in die andere wird die Meßbrücke von dem Nullverstärker abgeschaltet und eine die digitale Meßwertdarstellung bewirkende Brückenschaltung aufgebaut, deren Speisespannung die an dem Meßpotentiometer vor der Umschaltung liegende Spannung ist und von der zwei Zweige durch das Meßpotentiometer und die restlichen beiden Zweige durch ein zur MeSwertdarstellung eingerichtetes, in digitalen Schritten steuerbares, einen konstanten Eingangswiderstand aufweisendes Stufenpotentiometer und die Brückenausgangseckpunkte durch die Abgriffe des Meßpotentiometers und des Stufenpotentiometers gebildet werden. Nach Umschaltung verbinden die Schaltkontakte den Nullverstärker in einem solchen Sinn mit der für die digitale Meßwertdarstellung dienenden Brückenschaltung, daß ein vor der Umschaltung in der Stellung des Meßpotentiometers gebildeter Nullpunktfehler des Nullverstärkers in die digitale Meßwertdar^tellung nicht eingeht Das bekannte Meßgerät ist aufgrund der Notwendigkeit, einen

κι Servomotor zu verwenden, äußerst kompliziert und aufwendig im Aufbau. Die Meßhrürkp und Hie die digitale Meßwertdarstellung bewirkende Brückenschaltung werden von ein und derselben Spannungsquelle gespeist, die über der Meßbrücke liegt Diese Span-

j) nungsquelle muß daher eine besonders konstante Ausgangsspannung liefern.

Weiterhin ist aus der DE-AS 12 81 570 eine Schaltung zum Abbilden der Änderung des Widerstandes eines Meßobjektes als proportionale elektrische Spannung

■40 oder als so!cher Strom bekannt, bei der der von einer äußeren Spannung beaufschlagte Meßwertumformer in Reihe mit einem Festwiderstand liegt und zwar gehören zu dieser Reihenschaltung noch die beiden Eingangsklemmen eines Rechenverstärkers. Der Rechenverstär-

4i ker selbst wird von einer zusätzlichen Hilfsspannungs quelle gespeist. Eine digitale Umsetzung einer der

Meßgröße entsprechenden McßgröSensp.innung ist

nicht vorgesehen.

Schließlich zeigt Fig.4 den Grundaufbau eines

so bekannten Meßgerätes zum Verarbeiten einer Anzahl von Meßgrößen, bei welchem einzelne Meßwerte einer Anzahl von Meßeinrichtungen bzw. Meßwertumformern 7Ti bis 7T„durch einen Multiplexer31 abgegriffen und in einem Meßwertspeicher 32 gespeichert werden.

Die Meßwerte gelangen dann an den Analog/Digital-Umsetzer 33, dessen Ausgangssignale in der Zentraleinheit 34 für die Aufzeichnung, Anzeige oder weitere Rechenoperationen verarbeitet werden. Bei derartigen Anordnungen werden viele Arten von

bo Meßeinrichtungen bzw. Meßwertumformern 7T| bis 7T„ benutzt. So können diese Meßgeräte eine EMK in Abhängigkeit von den Meßgrößen erzeugen. Die meisten verwenden jedoch eine Spannungsquelle. Somit ändert sich die Ausgangsspannung des Meßgerätes in

b5 Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, so daß diese auf einem konstanten Wert gehalten werden muß. Die meisten Meßgeräte, welche die Meßgrößen mit einer Bezugsgröße vergleichen, erzeugen Ausgangssi-

gnale, die proportional den Differenzen zwischen den Meßgrößen und der Bezugsgröße sind. Weiterhin muß bei diesem Typ von Meßgeräten auch die Bezugsgröße auf einem konstanten Wert gehalten werden. Das in Fig.4 gezeigte Meßgerät dieser Art wurde ohne nähere Erwägung dieser Schwierigkeiten konstruiert, so daß der Mangel bei einer Meßvorrichtung die Genauigkeit des gesamten Meßgerätes verschlechtert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßgerät der im Oberbegriff des vorstehenden Hauptanspruchs genannten Art zu schaffen, das ohne Konstantspannungsquelle für die Beaufschlagung des Meßwertumformers auskommt Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst υ

Da die zu digitalisierende Analogspannung und die für die Umsetzung erforderliche Bezugsspannung von ein und derselben äußeren Spannung abgeleitet werden, ist der digitalisierte Meßwert frei von Fehlerr die durch Spannungsschwankungen hervorgerufen werden.

Vorzugsweise ist der A/D-Umsetzer ein Dual-Slope-Umsetzer, auf dessen Eingang über einen Wechselschalter nacheinander die Analogspannung und die Referenzspannung schaltbar sind.

Der A/D-Umsetzer kann aber auch ein Sägezahn- r_; Umsetzer sein, auf dessen Eingang die Analogspannung und auf dessen Integrationseingang die Bezugsspannung schaltbar sind.

Bei Einsatz mehrerer Meßwertumformer mit nachgeschalteten A/D-Umsetzern sind die entsprechenden jo Digitalsignale zn den Ausgängen dc- A/D-Umsetzer selektiv auf den Eingang eines einzigen Zählers schaltbar. Es ist auch möglich, daß außer den Sägezahn- und den Dual-Slope-Umsetzern auch Stufenumsetzer in dem erfindungsgemäß ausgebildeten Meßgerät einge- r> setzt werden. Darüber hinaus kann der Festwiderstand sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein induktiver oder kapazitiver Widerstand sein. Die Art des Festwiderstandes und die Art des Innenwiderstandes des Meßwertumformers können gleich sein.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. V<?n den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild zur Erklärung der Grundlagen,

F i g. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispie- 4" IeS₁

H g. 3 das Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels unte- Verwendung eines doppelt integrierenden Analog-Digital-Umsetzers,

F i g. 4 das Blockschaltbild eines bekannten Meßgeräts für die fortlaufende Sammlung und Verarbeitung der Ausgangssignale einer Anzahl von Meßvorrichtungen,

F i g. 5 und 6 Blockschaltbilder eines Meßgeräts,

F i g. 7 das Blockschaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers,

F i g. 8 das Blockschaltbild einer Zusammenschaltung von Meßgerät und Analog-Digital-Umsetzer,

F i g. 9 das Blockschaltbild eines abgeänderten Ausführungsbeispiels. bO

F i g. 1 dient zur Erklärung der Grundlagen der Erfindung: Die Quelle 1 für die Spannung eo ist parallel an eine Serienschaltung gelegt, die aus dem Festwiderstand 2 mit der Impedanz Z\ und dem Regelwiderstand 3 mit der Impedanz Z₂ besteht, die sich in Abhängigkeit to von der Meßgröße ändert. Bezeichnet man die Klemmenspannung des Festwiderstandes 2 mit Fi und die des Regelwiderstandes 3 mit E₂ sowie den diese Widerstände durchfließenden Strom mit /, dann gelten die folgenden Gleichungen:

E₁ = /Z₁ =
E₂= IZ₂ =

E₀ Zi+Z₂'

E₀Z₁ Z, + Z₂

E₀Z₂

Setzt man

dann wird

B=-

B =

Z₁ + Z₂

Ei-E₂

E₁

E₂

J

Es sei der Fall betrachtet, in welchem die Beziehung zwischen der Meßgröße β und der Impedanz Z₂ durch die Gleichung

Z₂ = Z₀(I+«Θ)

ausgedrückt wird, worin λ den speziellen Beiwert eines Meßfühlers darstellt. Im Falle eines Widerstandsthermometers stellt θ die gemessene Temperatur und λ den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes dar.

VVIrU Zo so gewählt, daß sie gleich Z\ ist, dann kann Gleichung (4) wie folgt neu angesetzt werden:

B= 1

- f² = -λ«.

Diese Gleichung zeigt, daß B direkt proportional der Meßgröße θ ist, wobei α eine Proportionalitätskonstante darstellt.

Fig.2 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels, worin 4 eine Inversionsschaltung mit dem Verstärkungsfaktor Eins, 5 ein Addierer und 6 ein Analog-Digital-Umsetzer ist

Das in F i g. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt:

Die Klemmenspannung Ei liegt über der Inversionsschaltung 4 am Eingang 7 des Analog-Digital-Umsetzers 6 an. Da die Polaritäten der am Festwiderstand 2 und am Regelwiderstand 3 anliegenden Klemmenspannungen E\ und £2 entgegengesetzt sind, ist die Ausgangsspannung des Addierers 5 E\ - E₂. Diese liegt am Eingang 8 des Analog-Digital-Umsetzers 6 an. Das heißt, daß in der Schaltung der F i g. 2 die am Festwiderstand 2 anliegende und invertierte Klemmenspannung als Referenzspannung e« des Analog Digital-Umsetzers dient und daß die Summe der am Festwiderstand und am Regelwiderstand anliegenden Klemmenspannungen als analoge Eingangsspannung e* für den Analog-Digital-Umsetzer benutzt wird.

Nachstehend wird der Umsetzungsvorgang in einem nach dem Dual-Slope-Verfahren arbeitenden Analog-Digital-Umsetzer 6 beschrieben.

Fig.3 zeigt das Blockschaltbild eines derartigen doppelintegrierenden Analog-Digital-Umsetzers, der den Übertragungsfolgeschalter 9, die Integrationsschaltung 10, die Vergleichsschaltung 11, die Steuerschaltung 12, den Impulsgeber 13, das Tor 14 und den Zähler 15 umfaßt.

Die Steuerschaltung 12 gibt in üblicher Weise einen Befehl an die Integrationsschaltung 10 ab, damit diese die Eingangsspannung (E\ — F?) bis zu einem vorbestimmten internen Zeitpunkt TJ hin integriert, wodurch

I₁

(E₁ - E₂) dl = (E₁ - E₂)T₀

Um Impulse vom Impulsgeber 13 an den Zähler 15 zu übertragen, gibt die Steuerschaltung 12 einen Befehl an den Übertragungsfolgeschalter 9 zur Ansteuerung des Tores 14. Da, wie vorstehend erwähnt, die Polarität der Referenzspannung e« der der Eingangsspannung eA entgegengesetzt ist, wird der Kondensator der Integrationsschaltung 10 durch die Referenzspannung wieder entladen. Die Vergleichsschaltung bestimmt den Zeitpunkt T₀+T, an welchem das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 10 wieder auf seinen Ursprungswert zurückgekehrt ist und erzeugt zu diesem Zeitpunkt (nach Ablauf des Zeitintervalls T) ein das Tor 14 ansteuerndes Ausgangssignal. Somit ergibt sich

T„+T

J E₁ df = E,

(E₁ -E₂)T₀= E₁ T

Ef-E₂
Γ«—--Ti.

(6)

welcher Xc einen Bezugswert fi)i die Meßgröße X darstellt, eo die Versorgungsspannung der Meßweriunifonner bzw. Meßeinrichtungen TTi und TT;, c\ und e?. deren Ausgangsspannungen und Fi und F₂ ihre ^r) Übertragungsfunktion. Da normalerweise Einstellungen zur Erfüllung der Bedingung Fi = F₂ = Fvorgenommen werden, ergib; sich die Ausgangsspannung e wie folgt:

i\ = V F₁ ρ,,,
C₁= X₀F₂C₀.

v-(X- X_n)Fv₀. ο

In v.elen Fällen wird die Ausgangsspannung durch r> einen positiven oder negativen Wert gegenüber der Ausgangsspannung e=0 angezeigt die dsnn anliegt, wenn Λ'= Xq.

Auch in diesem Falle ist die Ausgangsspannung proportional Fund ee. Somit kann das Verhältnis e: ej j» durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Legt man fest: T₀ = l/n, dann kann die Gleichung (6) aus Gleichung (5) wie folgt neu entwickelt werden: v,

T = ^E- ~- T₀ = BT₀= -λ β ■ - = -(-).

Das heißt daß der während des Zeitintervalls T aufgelaufene Zählwert Zwdie Meßgröße θ darstellt.

Wie vorstehend beschrieben, wird damit ein neuartiges Meßgerät geschaffen, dessen Aufbau einfach ist, da kein Servomechanismus verwendet wird und das eine hohe Arbeitsstabilität besitzt da keine unabhängige Referenzspannungsquelle für den Analog-Digital-Umsetzer verwendet zu werden braucht Somit kann auch die Konstanz der Spannungsquelle vernachläßigt werden, wenn das Gerät als Ausgangsstufe einer Fernmeßanlage dient, und außerdem ist das Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers ein Digitalwert, der leicht in weiteren Stufen verarbeitet werden kann.

Sowohl in F i g. 5 als auch in F i g. 6 ist die Meßgröße mit X bezeichnet, die an dem Meßwertumformer TT anliegende Versorgungsspannung mit eo, die Ausgangsspannung mit eund die Übertragungsfunktion mit F. Die Ausgangsspannung e kann dann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

60

e = XFe₀. (1)

Somit ist die Ausgangsspannung e nicht nur der Meßgröße X, sondern auch der Übertragungsfunktion F und der Versorgungsspannung eo proportional, so daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit F und eo mit der gleichen Genauigkeit stabilisiert werden müssen.

F i g. 6 zeigt eine Schaltung zur Vergleichsmessung, in Xo

Diese Gleichung zeigt, daß das Verhältnis e: e? unabhängig von Fund eo ist.

Bisher war eine solche Rechnung nur unter Verwendung eines Teilerkreises an der Ausgangsseite der Meßeinrichtung und durch Eingabe des Ergebnisses in einen Vervielfacher möglich.

Es wird somit die Divisionsfunktion eines Analog-Digitalumsetzers benützt, um ein rationelles Meßgerät zu schaffen. Die Divisionsfunktion eines Analog-Digital-Umsetzers sei an Hand der F i g. 7 erläutert

F i g. 7 zeigt einen Analog-Digital-Umsetzer, bei welchem die Ausgangsspannung eo der Quelle 36 durch Schließen des Schalters 35 als Referenzspannung an die Integrationsschaltung 37 gelangt Am Tor 39 liegt die Ausgangsspannung e» der Vergleichsschaltung 38, die Spannung ee der Quelle 36 und der Ausgangsimpuls des Impulsgebers 41 an. Wenn somit der Schalter 35 geschlossen wird, beginnt der Zähler 40 die Impulse zu zählen. Wenn der integrierte Wert der Integrationsschaltung 37 der Analogspannung e\ gleich wird, dann erzeugt die Vergleichsschaltung 38 ein Ausgangssignal, welches das Tor 39 schließt Das heißt die Impulse werden während des Intervalls zwischen dem Schließen des Schalters 35 und der Erzeugung des Ausgangssignals der Vergleichsschaltung 38 gezählt Bezeichnet man dieses Intervall mit T, dann ergibt sich:

e_odt = C₀T= e_A.

Wenn somit der Zählerstand des Zählers 40 dem Intervall T' direkt entspricht, dann stellt er auch das Verhältnis e*: ebdar.

Da der Analog-Digital-Umsetzer so eingestellt ist, daß eo=l, ergibt eine Digitalanzeige von T die Eingangsspannung e_A.

Obwohl die vorstehende Beschreibung für den einfachsten Typ eines Analog-Digital-Umsetzers (Sägezahnumsetzer) gilt, besitzen auch Stufenumsetzer und

nachdem Dual-Slope-Verfahren arbeitende Analog-Digital-Umsetzer eine Divisionsfunktion.

Fig.8 zeigt die Vereinigung einer Meßeinrichtung mit einem A/D-Umsetzer nac F; g. 7. Die gleichen Schalthfliiteile wie in F i g. 7 sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen: e* ist die Ausgangsspannung der Meßeinrichtung 7Tnnd e_R die Koc/enzspannung für den A/D-Umseizerund eodie Versorgungsspannung der Meßeinrichtung IT.

Wenn es sich um einen Stufen-Analog-Digital Umsetzer handelt, dann zeigt das digitale Ausgangssignal das Verhältnis zwischen den beiden Eingangssignalen.

Fig.9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Anzahl von Meßeinrichtungen wie die der F i g. 2 und 3 verwendet werden. 7T₂I bis TT_2n stellen Meßeinrichtungen dar, an denen jeweils eine Verse; gungsspannung eo anliegt und die jeweils zwei Ausgangsspannungen e_A und e_Ä erzeugen, und 7T, stellt eine Meßeinrichtung dar, die so ausgelegt ist, daß sie ein getaktetes Ausgangssignal erzeugt, welches nicht digitalisiert werden muß. Wie es anhand der F i g. 3 beschrieben wurde, sind die Integrationsschaltungen 23i— 23„ und die Vergleichsschaltungen 24i—24_m die Tore 25i— 25„ und die Steuerschaltungen 16, —16„ mit den Meßeinrichtungen 7T₂| —7T_2n zusammengeschaltet. Mit dem frequenzmodulierte Ausgangssignale erzeugenden Meßgerät TF₁ ist jedoch nur das Tor 17 und die Steuerschaltung t8 verbunden. Der Impulsgenerator 19 und ein Zähler 20 sind gemeinsam für alle Meßeinrichtungen 7T₂i — 7T_2n vorgesehen. Die Steuerschaltungen 16| —16„ und 18 werden seriell durch die Meßfolgesteuerung 21 gesteuert, um die von den Meßeinrichtungen 7T₂>—7T_?„ und TF₁ gemessenen Meßgrößen fortlaufend zu erfassen. Der Ausgangsimpuis des Impulsgebers 19 gelangt an die entsprechenden Tore 25|— 25,* so daß die Ausgangssignale dieser Tore und des Tors 17 fortlaufend durch den Zähler 20 gezählt werden und dessen Zählungen an eine ^rvJgevorrichtung 22 angezeigt oder durch einen nicht gezeigten Rechner weiter verarbeitet werden.

Die Durchschaltung der Meßvorrichtungen erfolgt beim Ausffihrungsbeispiel nach der F i g. 9 durch digital arbeitende Tore; ein multiplexer für Analogsignale ist nicht mehr erforderlich.

Durch die richtige D..Stimmung der Integrationszeitpunkte der Analog-Digital-Umsetzer für die entsprechenden Meßvorrichtungen können die digitalen Werte nach der Digitalumsetzung direkt abgelesen werden, wodurch die £>'ka!eneinteilung der Anzeigegeräte vereinfacht wird.

Außerdem kann eine Meßvorrichtung mit einem Wechselspannungsausgangssignal mit dem Meßgerät gekoppelt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

M9 617/210

Claims

Patentansprüche:

1. Meßgerät mit mindestens einem von einer äußeren Spannung beaufschlagten Meßwertumformer, der eine von der Meßgröße abhängige Meßgrößenspannung erzeugt, welche mit Hilfe eines Analog/Digital-Umsetzers in entsprechende Digitalsignale umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer zwei von derselben Spannung (1; βο) beaufschlagte Meßwertumformerabschnitte (2; 7T₂/3; TTi) aufweist, von denen der erste die von der Meßgröße abhängige Meßgrößenspannung erzeugt, und daß dem Analog/ Digital-Umsetzer (6) die am Ausgang des zweiten Meßwertumformerabschnitts (2; TT₂) anfallende Spannung (£Ί; e^) invertiert als Referenzspannung (eg) für die Analog/Digital-Unisetzung und die Summe (£i — E₂; ei —ej) aus den am ersten Meßwertumformerabschnitt (2; TTz) und am zweiten Meßwertumformerabschnitt (3; 7Ti) anfallenden Spannungen als zu digitalisierende Analogspannung (e_A) zugeführt werden.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Meßwertumformerabschnitt ein mit dem ersten Meßwertumformerabschnitt (3) in Reihe liegender Widerstand (2) fester Impedanz ist, und daß die an ihm abfallende Spannung über eine Inversionsschaltung (4) auf den Referenzeingang (7) und über ein Addierglied (5) aufsummiert mit der am ersten Meßwertumformerabschnitt (3) abfallenden Spannung auf den Umsetzereingang (8) des Analog/Digital-Umsetzers (6) geführt wird.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-Umsetzer (6) ein Dual-Slope-Umsetzer (Fig.3 und 9) ist, dessen Eingang über einen Wechselschalter (9) nacheinander die Analogspannung (e_A) und die Referenzspannung (eit) schaltbar ist.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-Umsetzer ein Sägezahn-Umsetzer (F i g. T) ist, auf dessen einen Eingang die Analogspannung (e*) und auf dessen Integrationseingang die Referenzspannung (e_R) schaltbar ist.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche J bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz mehrerer Meßwertumformer (7T₂,-TT_2n Tf\) die Digitalsignale durch eine Meßfolgesteuerung (21) selektiv auf einen Zähler (25) schaltbar sind.