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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung eines elektrischen Messwerts
für ein
Widerstandselement, vorzugsweise zur Bestimmung eines elektrischen Stroms
durch das Widerstandselement, wobei das zu vermessende Widerstandselement
zusammen mit weiteren Widerstandselementen innerhalb einer Widerstandsmatrix
bestehend aus Spalten und Reihen von Widerstandselementen verschaltet
ist.
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Die Verwendung von Anordnungen mehrerer matrixartig
miteinander verbundener Widerstandselemente ist aus der Automobiltechnik
zur Sitzbelegungserkennung in Kraftfahrzeugen bekannt. Um beispielsweise
die Auslösung
eines Insassenrückhaltemittels
effizient an die Sitzbelegung in einem Kraftfahrzeug anpassen zu
können,
werden druckabhängige
Widerstandselemente flächig
an der Oberfläche eines
Kraftfahrzeugsitzes angeordnet und matrixartig so miteinander verschaltet,
dass eine druckabhängige Änderung
der Widerstandswerte der Widerstandselemente Aufschluss über das
Gewicht und die Gewichtsverteilung eines Fahrzeuginsassen gibt und damit
letztlich Rückschlüsse auf
dessen Sitzposition und Körpermaße ermöglicht.
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Solche Anordnungen von Widerständen als Widerstandsmatrix
in der Ausgestaltung als Sensorsitzmatte sind bekannt aus dem deutschen
Gebrauchsmuster
DE
200 14 200 U1 und aus dem Artikel „Occupant Classification System
for Smart Restraint System",
Society of Automotive Engineers Inc. von 1999, BNSDOCID XP-002184965.
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Die Veränderung der Widerstandswerte
der einzelnen als Sensorelemente verwendeten Widerstandselemente
einer Sensorsitzmatte unter Einwirken einer Gewichtskraft wird üblicherweise über eine Veränderung
Ihrer jeweiligen Stromaufnahme bestimmt. Dazu wird eine Spannung
an den Eingang des zu messenden Widerstandselements angelegt während sein
Ausgang an den Masseanschluss der Widerstandsmatrix geschalten wird.
Der auf diese Weise fließende
Strom durch das zu messende Widerstandselement wird von einer Messeinheit
gemessen und gilt als Maß für den Widerstand
des zu messenden Widerstandselements bei vorgegebener Spannung und
damit als Maß für die aufliegende
Gewichtskraft auf dem Widerstandselement.
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Um Störströme zu verhindern, die bei der Messung
eines Widerstandselements zu anderen, zu diesem Zeitpunkt nicht
gemessenen Widerstandselementen abfließen könnten und auf diese Weise die Messung
störend
beeinflussen würden,
werden alle nicht zur Messung anstehenden und in dieser Hinsicht
unbenötigten
Spalten und Reihen von Widerstandselementen sowohl eingangsseitig
als auch ausgangsseitig mit einer möglichst gleich großen Spannung
verbunden, möglichst
mit der gleichen Messspannung, die eingangsseitig an dem zu vermessenden
Widerstandselement anliegt. Um der zugehörigen Messspannungsquelle jedoch über den Strom
durch das zu vermessende Widerstandselement hinaus keinen weiteren
Strom zu entnehmen, erfolgt die Spannungsversorgung der unbenötigten Reihen
und Spalten der Widerstandsmatrix durch Impedanzwandler, die zwischen
die Messspannung und die unbenötigten
Reihen und Spalten der Widerstandsmatrix geschaltet sind. Die Ausgänge der
Impedanzwandler besitzen dabei zumeist eigene Stromtreiberstufen,
sogenannte Pull-Transistoren, deren Stromabgabe an die unbenötigten Reihen
und Spalten der Widerstandsmatrix unabhängig von der Messspannungsquelle
erfolgt und daher die Strommessung an der Messspannungsquelle nicht
verfälscht.
Geeignete Impedanzwandler sind aus der einschlägigen Fachliteratur hinlänglich bekannt,
beispielsweise aus dem Fachbuch „Electronic Circuits", U. Tietze, Ch.
Schenk, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1991, Seite
454, 16.19. Dort ist als Impedanzwandler
ein Operationsverstärker
gezeigt, dessen invertierender Eingang mit seinem Ausgang rückkoppelnd
verbunden sind.
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1 zeigt
schematisch eine solche Messanordnung während der Messung eines Widerstandselements
(R22) einer Widerstandsmatrix (2). Die Bezugszeichen der 1 entsprechen den Bezugszeichen
der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Im Sinne einer Veranschaulichung
des technischen Problems wurden die zur Zeit der Messung des Widerstandselements
(R22) nicht benötigten
Schalteranordnungen (SCL2, SCL3, SR1, SR3) nur teilweise in der 1 dargestellt. Es ist außerdem darauf
hinzuweisen, dass mehrere einzelne Schalter einer Schaltungsanordnung
mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden und dass die gezeigten
elektrischen Verbindungen zwischen den dargestellten einzelnen Schaltern
und elektronischen Elementen nur für den gezeigten Schaltzustand
der Schalteranordnungen (SCL2, SCL3, SR1, SR3) bestehen.
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Die in der 1 dargestellten Widerstandselemente (R22,
R23, R33) sind über
Kapazitäten (C22,
C23, C33') mit dem
Masseanschluss der Schaltungsanordnung verbunden. Solche Kapazitäten können beispielsweise
parasitäre
Kapazitäten der
Schaltungsanordnung sein oder auch bewusst eingebrachte Entstörungskondensatoren
zum Schutz vor elektromagnetischen Störeinflüssen auf die Schaltungsanordnung.
Die von einer Messspannung (MEAS) aus einer Mess-/Versorgungseinheit (1)
elektrisch unabhängigen
Treiberstufen am Ausgang der beiden dargestellten Impedanzwandler (OCL
und OR) laden die mit ihnen verbundenen Kapazitäten (C23, C33') auf ein Spannungsniveau
auf, das größer als
die Messspannung (MEAS) sein kann. Beim Zuschalten der Messspannung
(MEAS) auf die Eingänge
der Impedanzwandler (OCL, OR) kann es unter der Wirkung dieser auf
ein höheres
Potenzial aufgeladenen Kapazitäten
(C23, C33') zu Oszillationen
an den Signalausgängen
der Impedanzwandler (OCL, OR) kommen, die den gemessenen Stromfluss
durch das zu vermessende Widerstandselement (R22) während einer
anfänglichen
Einschwingzeit empfindlich stören
können.
Der Spannungsunterschied zwischen den Eingängen der Impedanzwandler (OCL,
OR) und den aufgeladenen Kapazitäten
(C23, C33') wird
zusätzlich
verstärkt,
wenn das zu vermessende Widerstandselement (R22) sehr niederohmig
ist, beispielsweise wenn kein Gewicht auf das Widerstandselement
(R22) wirkt, und die Messspannung (MEAS) deshalb unter dem Einfluss
des Innenwiderstands der Mess-/Versorgungseinheit (1) herabgesetzt
wird.
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Die erzeugten Oszillationen am Signalausgang
der Impedanzwandler (OCL und OR) können im schlimmsten Fall eine
Fehlmessung des Stromflusses durch das zu vermessende Widerstandselement (R22)
zur Folge haben, so dass das auf das zu vermessende Widerstandselement
(R22) wirkende Gewicht falsch bestimmt wird. Vor allem, wenn solche Fehlmessungen
an mehreren Widerstandselementen der Widerstandsmatrix (2)
auftreten, kann dies zu einem falsch ermittelten Gewicht oder einem
verfälschten
Gewichtsprofil eines Fahrzeuginsassen führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es deshalb, ein Verfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung anzugeben,
bei der das Auftreten von störenden
Einflüssen
während
der Messung eines Widerstandselements einer Widerstandsmatrix, beispielsweise
von Signaloszillationen, deutlich vermindert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren , das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Die Aufgabe
wird weiterhin gelöst
durch eine Schaltungsanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 5 aufweist.
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Im Hinblick auf eine leichtere Verständlichkeit
der nachfolgenden Erläuterungen
wird jeweils eine Verbindungsseite eines Widerstandselements als
Eingangsseite bezeichnet und die entsprechend andere Verbindungsseite
desselben Widerstandselements als Ausgangsseite.
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Bei dem Verfahren zur Bestimmung
eines elektrischen Messwerts für
ein Widerstandselement gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 wird ein Grundlastwiderstandselement vor jeder Messung
eines einzelnen Widerstandselements eingangsseitig, zusammen mit
seiner Spalte innerhalb der Widerstandmatrix mit der Messspannung
verbunden und ausgangsseitig, zusammen mit seiner Reihe innerhalb
der Widerstandsmatrix mit dem Masseanschluss der Widerstandsmatrix.
Zeitgleich oder kurz darauf wird an der eingangsseitig anliegenden
Messspannung eine gemeinsame Referenzspannungsleitung der Widerstandmatrix
angeschlossen, so dass die Messspannung als Referenzspannung dient,
von der erste und zweite Referenzspannungen für alle nicht zur vermessenden
Spalten und Reihen von Widerstandselementen abgeleitet werden. Erst
danach werden alle weiteren Widerstandselemente der Widerstandsmatrix
zusammen mit ihren Spalten eingangsseitig mit der ersten Referenzspannung
verbunden und ausgangsseitig zusammen mit ihren Reihen mit der zweiten
Referenzspannung. Erst jetzt wird das zu vermessende Widerstandselement
eingangsseitig zusammen mit seiner Spalte mit der Messspannung beaufschlagt
und ausgangsseitig zusammen mit seiner Reihe mit dem Masseanschluss der
Widerstandsmatrix verbunden. Daraufhin wird das Grundlastwiderstandselement
wieder von der Messspannung und vom Masseanschluss getrennt und,
wie zu diesem Zeitpunkt schon alle weiteren Widerstandselemente,
zusammen mit seiner Spalte eingangsseitig mit der ersten Referenzspannung
verbunden und ausgangsseitig mit der zweiten Referenzspannung, woraufhin
die eigentliche Messung des Messwerts für das zu vermessende Widerstandselement
erfolgen kann, vorzugsweise indem der Strom bestimmt wird, der von
der Messspannung durch das zu vermessende Widerstandselement hin zum
Masseanschluss fließt.
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Durch das anfängliche Zuschalten des Grundlastwiderstandselements
wird verhindert, dass die Messspannung unter der Wirkung des Innenwiderstands
einer Mess-/Versorgungseinheit herabgesetzt wird, und dadurch Spannungsunterschiede
zwischen den Eingängen
von Impedanzwandlern, die an die Mess-/Versorgungseinheit angeschlossen sind, und
Kapazitäten
an deren Ausgängen
entstehen können.
Durch die erst daraufhin erfolgende Verbindung der nicht gemessenen
Reihen und Spalten von Widerstandselementen mit der ersten bzw.
zweiten Referenzspannung an den Ausgängen der Impedanzwandler wird
außerdem
verhindert, dass sich die Kapazitäten an den Ausgängen der
Impedanzwandler über
das Spannungsniveau der Messspannung aufladen. Durch beide Maßnahmen
zusammen wird folglich verhindert, dass sich zu große Spannungsunterschiede
zwischen den Eingängen der
Impedanzwandler und diesen Kapazitäten ausbilden können. Oszillationen
der ersten und zweiten Referenzspannungen der nicht zur Messung
anstehenden Spalten bzw. Reihen werden auf diese Weise weitgehend
vermieden.
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Vorteilhafterweise werden die ersten
und zweiten Referenzspannungen für
die Spalten beziehungsweise Reihen von Widerstandselementen an einem
Ausgang eines Impedanzwandlers erzeugt, dessen Eingang mit der gemeinsamen
Referenzspannungsleitung verbunden ist. Dadurch wird sichergestellt,
dass die Widerstandselemente in den gerade nicht gemessenen Reihen
und Spalten eingangs- wie auch ausgangsseitig auf einem möglichst gleichen
Spannungspotenzial gehalten werden wie die Messspannung über dem
zu vermessenden Widerstandselement und zugleich annähernd kein
messungsverfälschender
Strom in andere Widerstandselemente als das zu vermessende Widerstandselement
einer Spalte oder Reihe fließt.
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Weiterhin vorteilhafterweise wird
die erste Referenzspannung für
die nicht gemessenen Spalten von Widerstandselementen und die zweite
Referenzspannung für
die nicht gemessenen Reihen von Widerstandselementen durch einen
jeweils unterschiedlichen Impedanzwandler erzeugt. Treiberstufen
an den Signalausgängen
der Impedanzwandler können
dadurch ggf. leistungsschwächer
ausgelegt werden, was die Verwendung von preiswerten, gängigen Standardtechnologien
ermöglicht.
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Wird ein Verfahren mit den bereits
geschilderten Merkmalen zur Messung jedes einzelnen Widerstandselements
einer Widerstandsmatrix nacheinander eingesetzt, so kann für jedes
Widerstandselement einer Widerstandsmatrix eine nahezu fehlerfreie
Messung ermöglicht
werden.
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Nachfolgend wird die Wirkungsweise
der Erfindung und ein Ausführungsbeispiel
für die
Erfindung dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Messanordnung für die Vermessung eines Widerstandselements
R22 innerhalb einer Widerstandsmatrix 2 gemäß dem Stand
der Technik,
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2 die
schematische Darstellung aus 1 mit
einem erfindungsgemäß zuschaltbaren Grundlastwiderstandselement
R13 und
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3 bis 6 eine schematische Darstellung der
einzelnen Schaltvorgänge
während
eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs
anhand einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Vermessung eines Widerstandselements R22 mit Hilfe eines Grundlastwiderstandselements
R13.
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Die 3 bis 6 zeigen jeweils die selbe Schaltungsanordnung
zum Durchführen
eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
wobei jede der 3 bis 6 eine jeweilige Schaltstellung
gemäß einem
der anspruchsgemäßen Verfahrensschritte
darstellt.
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Die in den 3 bis 6 jeweils
gezeigte Schaltungsanordnung weist Widerstandselemente R11, R12
und R13 in einer ersten Reihe R1 auf, Widerstandselemente R21, R22
und R23 in einer zweiten Reihe R2 und Widerstandselemente R32 und R33
in einer dritten Reihe R3. Die jeweils zu einer Reihe zusammen gefassten
Widerstandselemente sind elektrisch miteinander verbunden. In der
gezeigten Schaltungsanordnung sind grundsätzlich alle Widerstandselemente
einer Reihe ausgangsseitig miteinander verbunden. In gleicher Weise
werden die Widerstandselemente R11 und R21 zu einer ersten Spalte
CL1 zusammengefasst, die Widerstandselemente R12, R22 und R32 zu
einer zweiten Spalte CL2 und die Widerstandselementen R13, R23 und R33
zu einer dritten Spalte CL3. Analog zu der Verschaltung der Widerstandselemente
innerhalb der drei Reihen R1, R2 und R3 sind die Eingänge der
Widerstandselemente einer Spalte jeweils elektrisch miteinander
verbunden.
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Ebenfalls dargestellt sind drei Schalteranordnungen
SCL1, SCL2 und SCL3, bestehend aus je vier einzelnen, unabhängig voneinander
schaltbaren Schaltern, beispielsweise 4 Schalttransistoren.
Jede der drei Schalteranordnungen SCL1, SCL2 und SCL3 kann je eine
der drei dargestellten Spalten CL1, CL2 CL3 der Widerstandsmatrix
auf einen oder mehrere der folgenden Anschlüsse gleichzeitig schalten:
- 1. eine gemeinsame Referenzspannungsleitung REF,
- 2. eine Messspannung MEAS,
- 3. eine erste Referenzspannung CLREF und
- 4. einen gemeinsamen Masseanschluss der Schaltungsanordnung.
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Die erste Referenzspannung CLREF
wird am Ausgang eines ersten Impedanzwandlers OCL bereitgestellt.
Wie in den 3 bis 6 dargestellt ist dieser
beispielsweise als erster Operationsverstärker OCL ausgebildet, dessen
nicht invertierender Eingang mit der gemeinsamen Referenzspannungsleitung
REF verbunden ist und dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang
des ersten Operationsverstärkers
OCL rückkoppelnd
verbunden ist. Durch diese Impedanzwandler – Schaltung wird gewährleistet,
dass das erste Referenzspannungspotential immer auf die an der gemeinsamen
Referenzspannungsleitung REF anliegende Spannung geregelt wird.
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Die Schalteranordnungen SR1, SR2
und SR3, bestehend aus ebenfalls jeweils vier unabhängig voneinander
schaltbaren Schaltern, beispielsweise 4 Schalttransistoren,
sorgen dafür,
dass auch die Reihen R1, R2 und R3 auf einen oder mehrere der folgenden
Anschlüsse
geschaltet werden können, nämlich:
- 1. die gemeinsame Referenzspannungsleitung REF,
- 2. die Messspannung MEAS,
- 3. eine zweite Referenzspannung RREF und
- 4. die gemeinsame Masse der Schaltungsanordnung.
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Ein zweiter Impedanzwandler OR erzeugt dabei
die zweite Referenzspannung RREF und ist beispielsweise in gleicher
Weise ausgestaltet wie der erste Impedanzwandler OCL: Dem nicht
invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OR
ist die gemeinsame Referenzspannungsleitung REF der Widerstandsmatrix 2 zugeführt, während dem
invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers OR
dessen Ausgangssignal rückkoppelnd
zugeführt
ist. Analog zur Funktionsweise des ersten Operationsverstärkers OCL
regelt auch der zweite Operationsverstärker OR die zweite Referenzspannung
RREF auf das Potential der an der gemeinsamen Referenzspannungsleitung
anliegenden Spannung REF.
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Die Messspannung MEAS wird der Schaltungsanordnung
von einer Mess-/Versorgungseinheit 1 zugeführt, in der gleichzeitig der
von der Widerstandsmatrix aufgenommene Strom gemessen werden kann.
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Weder für das erfindungsgemäße Verfahren noch
für die
dafür geeignete
Schaltungsanordnung ist es wichtig wie die einzelnen Schaltungselemente räumlich angeordnet
sind. Beispielsweise können
bei der dargestellten Schaltungsanordnung der 3 bis 6 die
Impedanzwandler OCL und OR, die Mess-/Versorgungseinheit und die Schalteranordnungen
der Spalten CL1 bis CL3 und Reihen R1 bis R3 zusammen innerhalb
eines Bauteils angeordnet sein, beispielsweise innerhalb eines Halbleiter-ASICs.
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Die Widerstandselemente R11 bis R33
sind größtenteils
als druckabhängige
Sensorelemente einer Sensorsitzmatte an der Oberfläche eines
Fahrzeugsitzes angeordnet. Aus messtechnischen Gründen, die
hier nicht weiter ausgeführt
werden sollen, sind dabei jedoch auch Widerstandselemente auf der Sensorsitzmatte
angeordnet, deren Ausgangssignal sich nicht unter der Wirkung einer
Gewichtskraft verändert.
Solche Widerstandselemente sind deshalb auch nicht notwendigerweise
auf der Sensorsitzmatte angeordnet, sondern können ebenso auf einer Platine
angeordnet sein, die sich räumlich
entfernt von der Sensorsitzmatte befindet. Entscheidend für die Zugehörigkeit
von Widerstandselementen zu der gezeigten Schaltungsanordnung ist
lediglich die Verschaltung innerhalb der Widerstandsmatrix 2 der
gezeigten Schaltungsanordnung. Das Grundlastwiderstandselement R13
ist beispielsweise bevorzugt ein druckunabhängiges Widerstandselement R13
auf einer Platine und ist dennoch innerhalb der Widerstandsmatrix 2 angeordnet
und entsprechend in den 3 bis 6 dargestellt.
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Weiterhin ist die gezeigte Schaltungsanordnung
keineswegs auf die gezeigten drei Reihen R1, R2 und R3 und drei
Spalten CL1, CL2 und CL3 beschränkt.
Es können
beliebig viele Reihen R und Spalten CL innerhalb der Widerstandsmatrix 2 angeordnet
sein.
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Anhand der 3 bis 6 werden
nachfolgend die einzelnen Schaltzustände der Schalteranordnungen
SCL1 bis SCL3 und SR1 bis SR3 für
die einzelnen Verfahrensschritte erläutert, und zwar anhand des
Beispiels einer Messung eines Stroms durch das Widerstandselement
R22.
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3 zeigt
den ersten Verfahrensschritt. Zunächst wird das Grundlastwiderstandselement
R13 der Spalte CL3 eingangsseitig sowohl mit der Messspannung MEAS
als auch mit der Referenzspannungsleitung REF verbunden. Die Schalteranordnung
SR1 ist gleichzeitig mit dem Masseanschluss verbunden. Alle weiteren
Schalteranordnungen SCL1, SCL2, SR2 und SR3 sind zu diesem Zeitpunkt beispielsweise
nichtleitend geöffnet.
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4 zeigt
den zweiten Verfahrensschritt. Die nicht zur Messung anstehenden
und in diesem Sinne nicht benötigten
Spalten CL1 und CL2 werden über
die Schalteranordnungen SCL1 bzw. SCL2 mit der ersten Referenzspannung
CLREF verbunden und damit eingangsseitig auch die Widerstandselemente
R11, R21, R12, R22 und R32. Über
die Schalteranordnungen SR2 und SR3 werden die nicht zur Messung
anstehenden und in diesem Sinne nicht benötigten Reihen R2 bzw. R3 mit
der zweiten Referenzspannung RREF verbunden und folglich auch die
Ausgänge
der Widerstände
R21, R22, R23, R32 und R33, die in den beiden Reihen R2 und R3 zusammengefasst
sind.
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In 5 wird
die Spalte CL2 des zu vermessenden Widerstandselements R22 zunächst von
den bestehenden elektrischen Verbindungen getrennt und dann sowohl
mit der Messspannung MEAS, als auch mit der gemeinsamen Referenzspannungsleitung
REF verbunden, wobei die Reihe R2 gleichzeitig über die Schalteranordnung SR2
mit dem gemeinsamen Masseanschluss der Widerstandsmatrix 2 verbunden
wird.
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In 6 werden
zunächst
die bestehenden elektrischen Verbindungen des Grundlastwiderstandselements
R13 getrennt. Dann wird das Grundlastwiderstandselement R13 eingangsseitig
zusammen mit seiner Spalte CL3 auf die erste Referenzspannung CLREF
geschaltet. Ausgangsseitig wird das Grundlastwiderstandselement
R13 über
die Schalteranordnung SR1 zusammen mit der gesamten Reihe R1 mit der
zweiten Referenzspannung RREF verbunden. Nun fließt nur noch
ein Messstrom von der Mess-/Versorgungseinheit 1 durch
das zu vermessende Widerstandselement R22 hin zum angeschlossenen
gemeinsamen Masseanschluss der Widerstandsmatrix 2.
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Die Messung des Stroms in der Mess-/Versorgungseinheit 1 kann
dabei als direkte Strommessung erfolgen, aber auch als indirekte
Messung eines vom Strom abgeleiteten elektrischen Messwerts, beispielsweise
eines Spannungsabfalls an einem dazu geeigneten Widerstand innerhalb
der Mess-/Versorgungseinheit 1.
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Auf die selbe Weise, wie die Strommessung für den Widerstand
R22 beschrieben wurde, kann nacheinander jeder Widerstand der Widerstandsmatrix
vermessen werden.