179538. lajstromszámú szabadalom • Önkalibráló digitális ellenállásmérő, ill. hőmérsékletmérő
.t 179538 4 3. Közvetlen ellenállásarány mérés Ismeretes olyan megoldás (Yokogama Electric Works: Digital Resistance Thermometer Type 2804 Prospektus), amelyben a műszer pontosságát a mérő- és referencia ellenállás viszonya határozza meg. A műszer működési elvét a 2. ábrán követhetjük: A földfüggetlen, stabil 8 feszültségforrás táplálja a 9 mérendő- és 10 referencia ellenállást. A 9 mérendő- és 10 referencia ellenállások végpontjait a 11- és 12 erősítők másolják. Az így keletkező feszültségek a 14 összegező erősítőbe kerülnek, úgyszintén a 13 erősítő kimenete is, amely a 12 erősítő kimenetének mínusz egyszerese, a 13 erősítő kimenetét a 17 kapcsoló kapcsolja. A 14 összegező erősítő kimenetén keletkező feszültséget 15 integrátor fogadja, ennek kimenetéta 16 komparátor figyeli és a 17 kapcsolót vezérli. Mivel a 15 integrátor kondenzátorán a töltés időben kiegyenlítődik, ezért 17 kapcsoló bekapcsolt és kikapcsolt állapota között meghatározott időarány áll fenn, amit a 18 logikai egység fel tud dolgozni és a 19 digitális kijelző felé továbbítani. A mért eredmény valóban nem függ a 8 feszültségforrás referenciafeszültségétől, de függ a 11 és 12 erősítők nullponti hibájától és erősítési tényezőjétől, így a megoldás csak kisebb igények mellett használható. A fent leírt megoldásokban láttuk, hogy a pontosságot mindig több elem határozza meg. A méréselméletből ismeretes viszont, hogy elvileg egy fizikai mennyiség méréséhez az alábbiak szükségesek: a) reprodukálható nullpont b) egyetlen referenciaérték c) egy lineáris skálázást eljárás Az ellenállásmérésnél a nullpont adott (rövidzár), a referenciaérték egyetlen referenciaellenállás lehet. Lineáris skálázási eljárást az Ohm-törvény szolgáltat: ennek a segítségével az ellenállás mérését feszültség mérésére vezethetjük vissza. így tehát egy ellenállásmérő (és hőmérő) szerkesztéséhez mindössze egyetlen referenciaellenállásra és egy lineáris (de nem szükségképpen pontos) feszültségmérőre (A/D átalakítóra) van szükség. A megoldandó feladat az, hogy a megszerkesztendő ellenállásmérő a fent leírt elméleti határt megvalósítsa, tehát valóban csak egyetlen referenciaellenállás és egy A/D átalakító linearitása legyen az, ami a mért eredményt befolyásolja. Digitális hőmérőknek, mint ellenállásmérőknek még további feltételeket is ki kell elégíteni: a) A nullpont eltolása. Ismeretes, hogy 0 °C-nál az ellenálláshőérzékelő egy véges R0 ellenállással rendelkezik, tehát a hőmérő eltolt nullpontú ellenállásmérő. A legtöbb esetben a nullpont-eltolást analóg úton végzik: erre szolgál a mérőhíd is. Ilyen esetben az eltolást végző elem (pl. ellenállás) pontossága is befolyásolja a mért eredményt. Digitális nullponteltolásnál ez a hiba nem lép fel. b) A hőmérséklet közvetlen kijelzésére a skálafaktort az ellenállásérzékelő hőmérsékleti együtthatójának megfelelően kell megválasztani, ehhez kalibráló elem szükséges. Legjobban elterjedt az analóg kalibrálás (pl. a referenciaellenállás változtatásával), ami ismét több ellenállást vagy potenciométert jelent, csökkentve a pontosságot. Tökéletesebb a digitális kalibrálás, amely a kalibráló elemek hibáját kiküszöböli. c) Az ellenállásérzékelők karakterisztikája nemlineáris, ezért a digitális hőmérőbe linearizáló áramkör beépítése is szükséges. A linearizálás történhet analóg úton (Leppold, H. - Jorde, Ch: Linearisierung von Sensorfunktionen bei Analog/Digital Umsetzung, Elektronik 1976 Heft 4, pp. 45-46), de újabban mindinkább elterjed a digitális linearizálás, amely az analóg áramkörök hibáit kiküszöböli. összefoglalva: olyan digitális ellenállásmérőnek, illetve hőmérőnek, amely a pontosságot a lehető legkevesebb számú pontos elemmel oldja meg, a következő feltételeket kell kielégíteni: a) Egyetlen referenciaellenállást tartalmazzon. b) Lineáris A/D átalakítóval rendelkezzen. c) Nullponti értékét ne változtassa (rövidzár). d) Nullponteltolása, kalibrálása és linearizálása digitális úton történjen. A találmány egy, a fentieknek megfelelő ellenállásmérőt, illetve hőmérőt foglal magában. A találmány szerinti ellenállásmérő berendezés működési elve viszonylag igénytelen alkatrészek alkalmazásával nagypontosságú ellenállásmérést tesz lehetővé: a műszer mutatott értéke a mérendő ellenálláson kívül csak egyetlen referenciaellenállástól függ, az összes többi alkatrész hatása elhanyagolhatóan kicsi az alább ismertetendő automatikus kalibrálás következtében. A találmány szerinti berendezésben lehetővé válik közvetlenül hőmérsékletben kijelző ellenállásmérő megvalósítása is. Itt az érzékelő nemlineáris karakterisztikája digitális úton linearizálható. A műszer hitelesítése is digitális úton végezhető. Az ellenállásmérőt egy konkrét digitális hőmérő példáján mutatjuk be. A feladat megoldásának alapelvét a 3. ábrán láthatjuk. Működése a következő: A 21 áramgenerátor a 22 és 23 kapcsolókon keresztül felváltva az Rm mérendő-, illetve az Rref referenciaellenállást táplálja. Az ellenállások végpontjain keletkező Ui, U2, U3, U4 feszültségek a 26, 27, 28, 29 kapcsolókon keresztül a 30 erősítőbe kerülnek. Az éppen rákapcsolt feszültség felerősítve kerül a 31 feszültség/frekvencia átalakítóra. Ennek kimenetét figyeli a 32 nullkomparátor, amely a jelet a 33 tartó-követő erősítőre juttatja. A 33 tartó-követő erősítő üzemmódját a 34 programvezérlő határozza meg. A 33 tartókövető erősítő kimenete a 31 feszültség/frekvencia átalakító összegezőpontjára kerül és itt eltolást hoz létre. A 31 feszültség/frekvencia átalakító, 32 nullkomparátor, 33 tartó-követő erősítő és 31 feszültség/frekvencia átalakító által képzett hurok (a továbbiakban: 31-32-33-31 hurok) zárt állásában 33 tartó-követő erősítő kimenetén olyan feszültség keletkezik, amely kompenzálja a 30 erősítő kimenetéről érkező feszültséget. Amikor a 31-32-33-31 hurok felnyílik, (a 33 tartó-követŐ erősítő tartó üzemmódjában) a 33 tartó-követő erősítő kimenete megőrzi és tartósan szolgáltatja a kompenzáló feszültséget. így a 31 feszült5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
