DE4428689A1 - Verfahren und Anordnung zum Betreiben einer Vierleiter-Schaltung für Widerstandsthermometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer an einen Multiplexer angeschlossenen Vier­ leiter-Schaltung für Widerstandsthermometer mit einer Meß­ widerstandsgröße, welcher über Versorgungsleitungen ein Kon­ stantstrom zuführbar und deren Spannungsabfall über zwei Meß­ leitungen abgreifbar ist, wobei die Leitungen von einem An­ schlußmittel zur Vierleiter-Schaltung geführt sind.

Aus der Druckschrift "Elektronische Meßtechnik", 1990, Vogel- Fachbuch "Elektronik" 6, sind Dreileiter- und Vierleiter- Schaltungen als Meßschaltungen für Widerstandsthermometer bekannt. In der Dreileiter-Schaltung wird das Widerstands­ thermometer vorzugsweise in einer Brückenschaltung betrieben, in welcher die Meßleitungen einmal in der rechten und linken Hälfte der Brücke angeordnet sind. Dadurch kompensieren sich die Leitungswiderstände vollständig. In einem praktischen Ausführungsbeispiel zeigt sich allerdings, daß die beiden Meßleitungen jedoch geringfügig unterschiedliche Widerstands­ werte aufweisen, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund wird die Dreileiter-Schaltung anstatt der Vierleiter-Schaltung nur in weniger verbreiteten Fällen eingesetzt, in denen die Kosten für eine entsprechende Ver­ drahtung Vorrang gegenüber der Meßgenauigkeit haben.

In Meßsystemen, in welchen Dreileiter-Schaltungen z. B. an Halbleitermultiplexer angeschlossen sind, tritt weiterhin das Problem auf, daß sich der Widerstand des Halbleitermultiple­ xers zu den Leitungswiderständen addiert und darüber hinaus dieser Widerstand temperaturabhängig ist. Multiplexer mit vernachlässigbarem Widerstand, z. B. Multiplexer mit mechani­ schen Relais, scheiden aufgrund hoher Herstellungskosten und insbesondere aufgrund zu hoher Schaltzeiten aus.

Vierleiter-Schaltungen sind für Präzisionsmessungen vorgese­ hen und eignen sich insbesondere zur Verwendung in Meßsyste­ men mit einem Halbleitermultiplexer, da die Widerstände des Multiplexers die Messung nicht beeinflussen. Dies wird da­ durch erreicht, daß zum einen ein Konstantstrom das System versorgt und zum anderen die eigentlichen Meßleitungen hoch­ ohmig an die Meßschaltung angekoppelt sind, so daß kein stö­ render Spannungsabfall längs der Leitungs- und Multiplexer­ übergangswiderstände entsteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine an einen Multiplexer angeschlossene Vierleiter-Schaltung als Dreileiter-Schaltung zu betreiben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den im An­ spruch 1 sowie mit einer Anordnung gemäß den in Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhaft ist, daß sowohl eine Vierleiter-Messung als auch eine Dreileiter-Messung mit einem nahezu gleichen Schaltungs­ aufbau möglich ist, wobei die weitverbreitete und für Präzi­ sionsmessungen geeignete Vierleiter-Schaltung vorgesehen ist. Mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln im Hinblick auf die eingesetzten Bauteile ist eine Dreileiter-Messung mög­ lich.

In einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 verarbeitet ein Mikrocontroller die Meßwerte, um den Widerstandswert des Meßwiderstandes zu ermitteln. In Meß­ umformern bzw. Signalformern als Bestandteil eines Automati­ sierungsgerätes sind diese Mikrocontroller ohnehin vorhanden, welche gewöhnliche Aufgaben übernehmen, wie z. B. eine Aufbe­ reitung der Meßwerte durch Kennlinien-Linearisierung oder zur Erfassung und Auswertung von Fehlerzuständen.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden die Erfindung sowie Ausge­ staltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Meßsystem,

Fig. 2 bis 4 eine Meßschaltung in verschiedenen Schalt­ stellungen und

Fig. 5 ein bekanntes Meßsystem.

Zur Verdeutlichung der Erfindung wird zunächst auf Fig. 5 verwiesen, in welcher ein an sich bekanntes Meßsystem veran­ schaulicht ist. Drei Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 mit Widerstandsthermometern (Meßwiderstände Pt) sind über An­ schlußstellen A1, A2, A3, A4 eines Anschlußmittels an einen Multiplexer HL, z. B. an ein optovoltaisches Halbleiter­ relais, angeschlossen. Die Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 sind mit Versorgungsleitungen R1, R2 und mit Meßleitungen RL1, RL2 versehen, von denen über den Multiplexer HL die Meß­ leitungen RL1, RL2 an einen in Form eines Differenzverstär­ kers DV ausgebildeten Operationsverstärker und die Versor­ gungsleitungen R1, R2 an eine Konstantstromquelle IK an­ schließbar sind. In Abhängigkeit der Schaltstellung des Mul­ tiplexers HL ist die Stromquelle IK und der Differenzver­ stärker DV mit einer der Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 verbunden. Im Beispiel beaufschlagt der Multiplexer HL die Eingänge des Differenzverstärkers DV mit dem Spannungsabfall am Meßwiderstand Pt der Vierleiter-Schaltung V2 und verbindet die Versorgungsleitungen R1, R2 dieser Vierleiter-Schaltung V2 mit der Stromquelle IK.

Fig. 1 zeigt ein Meßsystem mit Dreileiter-Schaltungen D1, D2, D3, welches durch Modifikation des Meßsystems gemäß Fig. 5 entsteht. Die in den Figuren vorkommenden gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die jeweili­ gen Meßleitungen RL2 (Fig. 5) der Vierleiter-Schaltungen V1, V2, V3 sind entfernt und die Anschlußstellen A3 dieser Meß­ leitungen RL2 mit den Anschlußstellen A4 der Versorgungs­ leitung R2 durch Brücken BR kurzgeschlossen. Zwischen dem Multiplexer HL und dem Differenzverstärker DV ist ein Halb­ leitermultiplexer HM geschaltet, welcher zwei jeweils aus drei Schaltern bestehende Schalteranordnungen S1, S2 auf­ weist. Die Schalteranordnung S1 dient zum Schalten der An­ schlußstellen A1 und A2 der Versorgungsleitung R1 und der Meßleitung RL1 sowie der Anschlußstelle A3 an den nichtinver­ tierenden Eingang des Differenzverstärkers DV, die Schalter­ anordnung S2 zum Schalten der Anschlußstelle A2 und A4 der Meß- und Versorgungsleitung RL1, R2 sowie der Anschlußstelle A3 an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers DV.

Um den Wert der Meßwiderstandsgröße Pt während einer gerade vorliegenden Umgebungstemperatur des Meßsystems, welches z. B. auf einer Baugruppe angeordnet ist, zu bestimmen, sind - wie im folgenden gezeigt wird - drei Messungen erforder­ lich. Dabei muß der zeitliche Abstand der Messungen gering sein (einige Sekunden), damit eine Änderung der Umgebungs­ temperatur die Meßergebnisse nicht verfälscht. Weiterhin muß ein Verhältnis K = X/Y errechnet werden, wobei X, Y bekannte Werte der Übergangswiderstandsgrößen Rx, Ry sind, welche z. B. bei Raumtemperatur ermittelt wurden und in einem Spei­ cher eines Mikrocontrollers (nicht dargestellt) hinterlegt sind. Zur näheren Erläuterung wird dazu die Funktions- und Wirkungsweise des Meßsystems anhand der Fig. 2 bis 4 ver­ anschaulicht, in welchen die durch den Multiplexer HL an den Differenzverstärker DV geschaltete Dreileiter-Schaltung D2 dargestellt ist. Dort sind die Leitungswiderstände der Ver­ sorgungsleitungen R1, R2 sowie der Meßleitung RL1 mit RL be­ zeichnet, die Übergangswiderstände des Multiplexers HL mit Rx, Ry.

In Fig. 2 sind für eine erste Messung die Schalter der Schalteranordnungen S1, S2 (Fig. 1) derart eingestellt, daß einerseits die Anschlußstelle A3 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers DV verbunden ist, anderer­ seits die Anschlußstelle A4 der Versorgungsleitung R2 mit dem invertierenden Eingang. In diesen Schalterstellungen wird an den Eingängen des Differenzverstärkers DV der Spannungsabfall am Übergangswiderstand Ry des Multiplexers HL gemessen. Aus diesem Spannungsabfall und einem eingeprägten Strom I errechnet der Mikrocontroller zunächst den Wert Yδ der Über­ gangswiderstandsgröße Ry. Anschließend ermittelt der Control­ ler aus diesem Wert Yδ und einem errechneten Verhältnis K = X/Y einen Wert Xδ des Übergangswiderstandes Rx ent­ sprechend der Gleichung:

Xδ = = Yδ · K.

In der Meßschaltung gemäß Fig. 3 verbinden für eine zweite Messung die Schalter der Schalteranordnungen S1, S2 die An­ schlußstelle A3 der Versorgungsleitung R1 mit dem nichtinver­ tierenden Eingang des Differenzverstärkers DV und die An­ schlußstelle A4 der Meßleitung RL1 mit dem invertierenden Eingang. Aus dem gemessenen Spannungsabfall an den Eingängen und dem eingeprägten Konstantstrom I ermittelt der Mikro­ controller zunächst den Wert SU1 der Summe aus Leitungs- und Übergangswiderstandsgröße RL, Rx und schließlich den Wert XL des Leitungswiderstandes RL nach der Gleichung:

XL = SU1 - Xδ,

wobei Xδ den aufgrund der ersten Messung ermittelten Wert der Übergangswiderstandsgröße bedeutet.

Um den Wert der Meßwiderstandsgröße Pt zu bestimmen, ist schließlich noch eine dritte Messung erforderlich. Die Schal­ terstellungen der Schalteranordnungen S1, S2 in der Meß­ schaltung gemäß Fig. 4 verbinden die Anschlußstelle A3 der Meßleitung RL1 mit dem nichtinvertierenden Eingang und die Anschlußstelle A4 mit dem invertierenden Eingang des Diffe­ renzverstärkers. Die an den Eingängen abgreifbare Spannung ist ein Maß für die Summe aus Leitungs- und Meßwiderstands­ größe. Der Mikrocontroller ermittelt aus dieser Spannung und dem Konstantstrom I den Summenwert SU2 und schließlich den Wert Xt der Meßwiderstandsgröße Pt aus der Beziehung:

Xt = SU2 - XL,

wobei XL den aufgrund der zweiten Messung ermittelten Wert des Leitungswiderstandes RL bedeutet. Aus dem Wert Xt der Meßwiderstandsgröße Pt kann nun in bekannter Art und Weise die vorliegende Temperatur bestimmt werden.

Es ist selbstverständlich möglich, die Meßschaltungen gemäß Fig. 2 bis 4 derart einzustellen, daß folgende Werte ermit­ telt werden:

• - der Wert Xδ der Übergangswiderstandsgröße Rx (anstatt der Wert Yδ der Übergangswiderstandsgröße Ry),
• - der Wert der Summe SU1 aus Leitungs- und Übergangswider­ standsgröße RL, Ry (anstatt der Wert der Summe aus Lei­ tungs- und Übergangswiderstandsgröße RL, Rx),
• - der Wert der Summe SU2 aus Leitungs- und Meßwiderstands­ größe RL, Pt.

Der Wert Xt der Meßwiderstandsgröße Pt ermittelt sich dann zu:

Xt = SU2 - XL
mit XL = SU1 - Yδ
und Yδ = Xδ · 1/K.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betreiben einer an einen Multiplexer (HL) angeschlossenen Vierleiter-Schaltung (V1, V2, V3) für Wider­ standsthermometer mit einer Meßwiderstandsgröße (Pt), welcher über Versorgungsleitungen (R1, R2) ein Konstantstrom zuführ­ bar und deren Spannungsabfall über zwei Meßleitungen (RL1, RL2) abgreifbar ist, wobei die Leitungen (R1, R2, RL1, RL2) von einem Anschlußmittel zur Vierleiter-Schaltung (V1, V2, V3) geführt sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - Berechnen eines Verhältnisses K = X/Y, wobei X, Y bekannte Werte der Übergangswiderstandsgrößen Rx, Ry des Multiple­ xers (HL) sind,
• - Entfernen einer Meßleitung (RL1, RL2),
• - Kurzschließen der Anschlußstelle (A1, A4) einer Versor­ gungsleitung (R1, R2) im Anschlußmittel mit der Anschluß­ stelle (A2, A3) der entfernten Meßleitung (RL1, RL2) im An­ schlußmittel,
• - Ermitteln eines Wertes Wδ der Übergangswiderstandsgröße (Rx, Ry) aus dem eingeprägten Konstantstrom und einem ge­ messenen Spannungsabfall an dem Übergangswiderstand, wel­ cher mit den kurzgeschlossenen Anschlußstellen (A1, A2; A3, A4) verbunden ist,
• - Ermitteln eines Wertes SU1 der Summe aus Leitungswider­ standsgröße (RL) und der anderen Übergangswiderstandsgröße (Ry, Rx) aus einem gemessenen Spannungsabfall am Leitungs- und Übergangswiderstand und dem eingeprägten Konstantstrom,
• - Ermitteln eines Wertes SU2 der Summe aus Leitungs- und Meß­ widerstandsgröße (RL, Pt) aus einem gemessenen Spannungsab­ fall am Leitungs- und Meßwiderstand und dem eingeprägten Konstantstrom,
• - Berechnen eines Wertes Xt der Meßwiderstandsgröße (Pt) aus der Beziehung: Xt = SU2 - XL,
  mit XL = SU1 - Wδ und Wδ = Yδ · K bzw. Wδ = Xδ · 1/K.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l mit einer an einen Multiplexer (HL) angeschlossenen Vierlei­ ter-Schaltung (V1, V2, V3) für Widerstandsthermometer mit ei­ ner Meßwiderstandsgröße (Pt), welcher über Versorgungsleitun­ gen (R1, R2) ein Konstantstrom zuführbar und deren Spannungs­ abfall über zwei Meßleitungen (RL1, RL2) abgreifbar ist, wo­ bei die Leitungen (R1, R2, RL1, RL2) von einem Anschlußmittel zur Vierleiter-Schaltung (V1, V2, V3) geführt sind, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - eine Meßleitung (RL1, RL2) entfernbar und deren Anschluß­ stelle (A2, A3) mit der Anschlußstelle (A1, A4) im An­ schlußmittel einer Versorgungsleitung (R1, R2) kurzschließ­ bar ist,
• - ein dem Multiplexer (HL) nachgeschalteter Halbleitermulti­ plexer (HM) vorgesehen ist, welcher eine erste und eine zweite jeweils drei Schalter aufweisende Schalteranordnung (S1, S2) umfaßt, von denen eine Schalteranordnung (S1) zum Schalten der Anschlußstellen (A1, A2) einer Versorgungs­ leitung (R1) und der Meßleitung (RL1) sowie der Anschluß­ stelle (A3) der entfernten Meßleitung (RL2) an den nicht­ invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (DV) und die andere Schalteranordnung (S2) zum Schalten der An­ schlußstellen (A1, A4) der Meßleitung (RL1) und der anderen Versorgungsleitung (R2) sowie der Anschlußstelle (A3) der entfernten Meßleitung (RL2) an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (DV) vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein mit einem Speicher versehener Mikrocontroller für die Berechnungen des Wertes Xt der Meßwiderstandsgröße (Pt) vorgesehen ist, wobei die Werte X, Y der Übergangswider­ stände im Speicher hinterlegt sind.