DD237898A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR INCREASING THE MEASURING VALUE IN TEMPERATURE MEASUREMENT TECHNOLOGY - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erhoehung der Messwertaufloesung in Abhaengigkeit von der Messaufgabe und der dabei erforderlichen Genauigkeit insbesondere fuer Anwendungen in der Temperaturmesstechnik, wodurch eine wesentliche Verbesserung der Messgenauigkeit und Linearitaet der Messergebnisse bei verringertem Schaltungsaufwand erreicht werden kann. Das wird dadurch erreicht, dass von einer zentralen digitalen Messwertverarbeitungseinheit in Abhaengigkeit von der absoluten Hoehe des Temperaturmesssignals die Aufloesung der Messverstaerker derart umgeschaltet wird, dass die Genauigkeit des Messergebnisses in bestimmten, frei waehlbaren Bereichen den Prozessanforderungen universell anpassbar ist.The invention relates to a circuit arrangement for increasing the measured value resolution as a function of the measurement task and the required accuracy in particular for applications in temperature measurement, whereby a significant improvement in the accuracy and Linearitaet the measurement results can be achieved with reduced circuit complexity. This is achieved by switching the resolution of the measuring amplifiers from a central digital measured value processing unit as a function of the absolute height of the temperature measuring signal in such a way that the accuracy of the measurement result in certain, freely selectable ranges is universally adaptable to the process requirements.
Description
Darlegung des Wesens der Erfindung:Explanation of the essence of the invention:
Es besteht die Aufgabe, eine Temperaturmeßeinrichtung zu schaffen, die auch bei Anwendung in großen Temperaturbereichen eine Erhöhung der Auflösung und Genauigkeit der Meßschaltung unter Verwendung ein und desselben Temperaturfühlers realisiert.It is the object to provide a temperature measuring device, which realizes an increase in the resolution and accuracy of the measuring circuit using one and the same temperature sensor even when used in large temperature ranges.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung aus einem Temperaturmeßwandler, einem zugehörigen Vorverstärker und einer Anzahl von η nachgeordneten schaltbaren Bereichsverstärkern, einem Analog/ Digital-Wandler sowie einer programmierbaren Meß- und Steuereinrichtung (z. B. Mikrorechner) mit einer zugehörigen binären Ein/Ausgabe-Baugruppe besteht, über welche die programmierbare Meß- und Steuereinrichtung das Temperaturmeßsignal xT aufnehmen und Steuersignale χ3Ί ....xSn an die schaltbaren Bereichsverstärker ausgeben kann.According to the invention this object is achieved in that the circuit arrangement of a temperature transducer, an associated preamplifier and a number of η downstream switchable range amplifiers, an analog / digital converter and a programmable measuring and control device (eg microcomputer) with an associated binary There is an input / output module via which the programmable measuring and control device can record the temperature measuring signal x T and output control signals χ 3Ί .... x Sn to the switchable range amplifiers .
Hierbei ist der Meßwandler mit dem Eingang des zugehörigen Vorverstärkers und dessen Ausgang mit allen Eingängen der nachgeordneten schaltbaren Bereichsverstärker verbunden, deren Ausgänge zusammengeschaltet und wiederum an den Eingang des Analog/Digital-Wandlers gelegt sind, der das binär gewandelte Temperaturmeßsignal über eine Ein/Ausgabe-Baugruppe der programmierbaren Meß- und Steuereinrichtung zuführt.In this case, the transducer is connected to the input of the associated preamplifier and its output to all inputs of the downstream switchable range amplifier whose outputs are interconnected and in turn connected to the input of the analog / digital converter, the binary converted temperature measurement signal via an input / output Assembly of the programmable measuring and control device supplies.
Die programmierbare Meß- und Steuereinrichtung ist zusätzlich über Steuerleitungen mit den schaltbaren Bereichsverstärkern verbunden und schaltet so den für den jeweiligen Bereich des Temperaturmeßsignals zuständigen Bereichsverstärker ein. Jeder Bereichsverstärker ist dabei in Verstärkung und Offset derart voreingestellt, daß an seinem Ausgang im zugehörigen Meßsignalbereich derselbe Ausgangssignalumfang erzeugt wird, mit welchem der nachfolgende Analog/Digital-Wandler im gesamten, seiner Auflösung entsprechenden Zahlenbereich, ausgesteuert wird.The programmable measuring and control device is additionally connected via control lines to the switchable range amplifiers and thus switches on the area amplifier responsible for the respective area of the temperature measuring signal. Each range amplifier is preset in gain and offset such that at its output in the associated Meßsignalbereich the same output signal amplitude is generated, with which the subsequent analog / digital converter in the entire, its resolution corresponding number range is controlled.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch Einbeziehung einer programmierbaren Steuereinheit in die Vorgänge der Meßwerterfassung und durch die Modularität der Schaltungsanordnung eine größtmögliche Flexibilität und Anpaßbarkeit der Meßtechnik an prozeßbedingte unterschiedliche Meßaufgaben über einen großen Temperaturmeßbereich und die jeweiligen Genauigkeitsanforderungen bei Verwendung ein und desselben Temperaturfühlers erreicht wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich bei möglicher Anwendung beliebiger Meßfühler und Wandlerprinzipien insbesondere für die Messung in großen Temperaturbereichen bei hochgenauer Auflösung gewünschter Teilbereiche und erfüllt somit die Forderungen einer Vielzahl von Meßaufgaben.The advantage of the inventive solution is that by incorporating a programmable control unit in the operations of the measured value and the modularity of the circuit maximum flexibility and adaptability of the measurement of process-related different measurement tasks over a large Temperaturmeßbereich and the respective accuracy requirements when using one and the same temperature sensor is reached. The circuit arrangement according to the invention is suitable for possible application of any sensor and transducer principles in particular for the measurement in large temperature ranges with high-precision resolution of desired portions and thus meets the requirements of a variety of measurement tasks.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführüngsbeispiel inäher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below on a Ausführüngsbeispiel. The accompanying drawings show:
Fig. 1: Die Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur umschaltbaren Meßwertauflösung für ηFig. 1: The basic circuit of the circuit arrangement according to the invention for switchable Meßwertauflösung for η
Bereiche, Fig. 2: die Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit programmierbaren2, the basic circuit of an embodiment of the inventive circuit arrangement with programmable
Operationsverstärkern für 2 Bereiche, Fig. 3: die Bereichseinteilung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 für Anwendungen in programmierbaren2 operational amplifiers, Fig. 3: the range division for the embodiment of Fig. 2 for programmable applications
Temperturregeleinrichtüngen für die Kryokonservierung biologischen Materials, Fig,4: den Verlauf der Ausgangskennlinien der Bereichsverstärker für den Anwendungsanfall nach Fig. 3.FIG. 4 shows the profile of the output characteristics of the range amplifiers for the application application according to FIG. 3. FIG.
Die in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltung besteht aus einem Temperaturmeßwandler 1, einem dem jeweiligen Wandlertyp entsprechenden Vorverstärker 2, einer nachfolgend angeordneten Gruppe 3 von η schaltbaren Bereichsverstärkern BV1... BVn, einem Analog/Digital-Wandler 4, einer programmierbaren digitalen Meß- und Steuereinheit (Mikrorechner— MR) mit zugehöriger Ein/Ausgabe-Baugruppe (EAB) 6.The basic circuit shown in Fig. 1 consists of a Temperaturmeßwandler 1, a respective transducer type corresponding preamplifier 2, a subsequently arranged group 3 of η switchable range amplifiers BV 1 ... BV n , an analog / digital converter 4, a programmable digital Meß and control unit (microcomputer MR) with associated input / output module (EAB) 6.
Die Wirkungsweise der im Prinzip dargestellten Schaltungsanordnung ist folgende:The operation of the circuit arrangement shown in principle is the following:
Das Temperaturmeßsignal Xj wird über den Meßwandler 1 in ein elektrisches Signal Χι gewandelt und dem Eingang eines dem Wandlertyp entsprechenden Vorverstärkers 2 zugeführt, der ein dem Meßsignal proportionales Einheitssignal X2 erzeugt, das gleichzeitig an die Eingänge aller η schaltbaren Bereichsverstärker BV1^BVn gelangt.The temperature measuring Xj is converted via the transducer 1 into an electrical signal Χι and the input of a transducer type corresponding preamplifier 2 is supplied, which generates a measurement signal proportional to the signal proportional X 2 , which simultaneously reaches the inputs of all η switchable range amplifier BV 1 ^ BV n ,
Die schaltbaren Bereichsverstärker sind derart voreingestellt, daß sie im jeweils aufzulösenden Meßsignalbereich ein Ausgangssignal X3 erzeugen, das den zur Vollaussteuerung des nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlers 4 notwendigen Signalpegel überstreicht. Das binär gewandelte Meßsignal x4wird über die Ein/Ausgabe-Baugruppe 6 der programmierbaren Meß- und Steuereinheit 5 zugeführt, die ihrerseits in Abhängigkeit vom anliegenden Meßsignal und dem vorhandenen Steuerprogramm über die Steuersignale xs1...xSn einen der schaltbaren Bereichsverstärker ein- und alle anderen schaltbaren Bereichsverstärker ausschaltet, so daß im gesamten zu erfassenden Temperaturbereich einzelne ineinander schachtelbare Teilbereiche mit erhöhter Genauigkeit bei voller Auflösung des Analog/Digital-Wandlers eingerichtet werden können.The switchable range amplifiers are preset in such a way that they generate an output signal X 3 in the respectively to be resolved measuring signal range, which sweeps over the signal level necessary for full modulation of the downstream analog / digital converter 4. The binary converted measuring signal x 4 is fed via the input / output module 6 of the programmable measuring and control unit 5, which in turn depending on the applied measuring signal and the existing control program via the control signals x s1 ... x Sn one of the switchable range amplifier - And all other switchable range amplifier turns off, so that in the entire temperature range to be detected individual nestable subregions with increased accuracy at full resolution of the analog / digital converter can be set.
Die in Fig. 2 dargestellte Prinzipschaltung zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für zwei Meßbereiche, bei der als schaltbare Bereichsverstärker 3 integrierte programmierbare Operationsverstärker zur Anwendung kommen, deren Ausgangsparameter über einen Steuereingang (Set-Strom) beeinflußt werden können.The basic circuit shown in Fig. 2 shows an embodiment of the circuit arrangement according to the invention for two measuring ranges in which as switchable range amplifier 3 integrated programmable operational amplifier are used whose output parameters can be influenced via a control input (set-current).
Die Ankopplung der Bereichsverstärker an Meßwandler 1, Vorverstärker 2, Analog/Digital-Wandler 4 und Mikrorechner 5 geschieht in der bereits beschriebenen Art und Weise.The coupling of the range amplifier to transducer 1, preamplifier 2, analog / digital converter 4 and microcomputer 5 is done in the manner already described.
Die Bereichsverstärker BV1 und BV2 können über die Widerstandsbeschaltung (R 11, R12, R13 bzw. R21,R22, R23) in ihrer Verstärkung sowie durch die Einkopplung der Spannungen Uoi bzw. U02 im Offset voreingestellt werden, so daß sie für den jeweils zu erfassenden Temperaturbereich (Eingangsspannungsbereich Ui) einen der vollen Auflösung des Analog/ Digital-Wandlers 4 entsprechenden Ausgangsspannungsbereich U2 liefern.The range amplifiers BV1 and BV2 can be preset via the resistor circuit (R 11, R12, R13 or R21, R22, R23) in their gain and by the coupling of the voltages Uoi or U 02 in the offset, so that they for each detecting temperature range (input voltage range Ui) provide the full resolution of the analog / digital converter 4 corresponding output voltage range U 2 .
Im dargestellten Ausführungsbeispiel schaltet der Mikrorechner über eine binäre Steuerleitung xs mit Hilfe der Schalttransistoren VT1 und VT2und des Negators N1 über die Set-Eingänge der programmieren Operationsverstärker jeweils einen der Bereichsverstärker zu. Der andere Bereichsverstärker wird dann an seinem Ausgang hochohmig und beeinflußt das Meßergebnis nicht.In the illustrated embodiment, the microcomputer switches via a binary control line x s using the switching transistors VT1 and VT2 and the inverter N1 via the set inputs of the programmed operational amplifier each one of the range amplifier to. The other range amplifier is then high impedance at its output and does not affect the measurement result.
Fig. 3 stellt eine mögliche Bereichseinteilung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dar, die insbesondere für programmierbare Temperaturregeleinrichtungen zur Anwendung kommen kann, welche die Temperatur in einem großen Bereich zu regeln haben, wobei in einem eingeschränkten Temperaturbereich erhöhte Aufgaben an die Genauigkeit der Meßwerterfassung bestehen.Fig. 3 shows a possible range division for the embodiment of Fig. 2, which can be used in particular for programmable temperature control devices, which have to regulate the temperature in a wide range, wherein in a limited temperature range increased tasks on the accuracy of the measured value detection ,
Dargestellt ist ein möglicher Temperaturverlauf über die Zeit in der Arbeitskammer einer Apparatur zur Kryokonservierung biologischen Materials. Von der zugehörigen Temperaturmeßeinrichtung muß ein Gesamtbreich von T0 bis T3 erfaßt werden.Shown is a possible temperature profile over time in the working chamber of an apparatus for cryopreservation of biological material. From the associated temperature measuring a Gesamtbreich T 0 to T 3 must be detected.
Erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit der Temperaturregelung und somit iherer Messung im dargestellten Fall im Temperaturbereich zwischen T1 und T2. Die Bereichsverstärker BV1 und BV2 sind somit derart einzustellen, daß BV1 im Temperaturbereich T0 — T3 und Bv2 im Temperaturbereich T1 —T2 eine der Aussteuerung des Analog/Digital-Wandlers (U2mjn — U2max) entsprechende Ausgangsspannungsänderung liefert.Increased demands on the accuracy of the temperature control and thus herherer measurement in the illustrated case in the temperature range between T 1 and T 2 . The range amplifiers BV1 and BV2 are thus to be set such that BV1 in the temperature range T 0 -T 3 and Bv 2 in the temperature range T 1 -T 2 provides a output voltage change corresponding to the modulation of the analog / digital converter (U 2m j n -U 2max ).
Fig. 4zeigt die zugehörige Abhängigkeit der Ausgangsspannungen der Bereichsverstärker BV1 und BV 2 von der zu erfassenden Temperaturfür das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und Fig. 3. DieAusgangsspannungswerteU2minund U2max stellen hierbei die Aussteuerungsgrenzen des nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlers dar.Fig. 4 shows the associated dependence of the output voltages of the range amplifiers BV1 and BV 2 on the temperature to be detected for the embodiment of Figs. 2 and 3. The output voltage values U 2m i n and U 2max represent the modulation limits of the downstream analogue to digital converter.
Die Ausgangskennlinien der Bereichsverstärker BV1 und BV2 werden durch die Beziehungen (1) und (2) charakterisiert:The output characteristics of the range amplifiers BV1 and BV2 are characterized by relations (1) and (2):
fürBVI: U2 = V1(U01 + KT) (1)for BVI: U 2 = V 1 (U 01 + KT) (1)
für BV2: U2 = V2(U02+ K-T) (2)for BV2: U 2 = V 2 (U 02 + KT) (2)
wobei V1 und V2 die Verstärkungsfaktoren, U01 und U02 die Offsetspannungen der Bereichsverstärker darstellen. Der Faktor K ist hierbei ein kombinierter konstanter Übertragungsfaktor von Meßfühler, Meßwandler und Vorverstärker. Der Mikrorechner kann im dargestellten Anwendungsfall ausgehend vom Meßsignal des Bereichsverstärkers BV1 (Grobbereich) im Temperaturbereich zwischen T1 und T2 (Feinbereich) den Bereichsverstärker BV2 aktivieren und so bei voller Ausnutzung des'Analog/Digital-Wandlers ein Meßsignal mit erhöhter Auflösung gewinnen.where V 1 and V 2 represent the gain factors, U 01 and U 02 represent the offset voltages of the range amplifiers. The factor K is a combined constant transmission factor of sensor, transducer and preamplifier. In the application shown, the microcomputer can, starting from the measuring signal of the range amplifier BV1 (coarse range) in the temperature range between T 1 and T 2 (fine range), activate the range amplifier BV2 and thus gain a measuring signal with increased resolution when the analogue / digital converter is fully utilized.
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1985
- 1985-05-31 DD DD27685985A patent/DD237898A1/en unknown
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