DE3536020A1 - Schaltung zur veraenderung oder linearisierung einer uebertragungskennlinie sowie danach durchgefuehrtes verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit unabhängiger Gleich- oder Wechselspannungsquelle und mit wenigstens einem Verstärker zur Veränderung oder Linearisierung der Übertragungskennlinie eines steuerbaren oder sensorischen Widerstandes od. dgl. Sensor.

Schaltungen mit passiven oder aktiven Bauteilen zur Linearisierung oder Änderung einer Übertragungskennlinie sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. So ist es z. B. bei einer elektrischen Thermometerschaltung üblich, einen hierbei als temperatursensorischen Widerstand verwendeten Thermistor mit Parallel- und/oder Serienwiderständen zu beschalten, um eine Übertragungskennlinie - Temperatur/Ausgangsspannung - mit wesentlich verbesserter Linearität zu erhalten.

Auch bei einer Anordnung mit zwei sensorischen Spulen, welche als sogenannte Halbbrücke geschaltet sind, wobei die beiden sensorischen Spulen im Gegentakt arbeiten, d. h. wenn die eine Induktivität kleiner wird, wird die andere Induktivität größer und umgekehrt, treten erhebliche Linearitätsabweichungen in den Kennlinien auf. Ausgehend von einer Mittelstellung sind die beiden Induktivitäten zunächst gleich und die Ausgangsspannung entspricht der halben Speisespannung. Die Kennlinien der beiden Induktivitäten weisen dann von der Mitte ausgehend, nur einen relativ kleinen, linearen Bereich auf und sind dann nach oben und nach unten sehr unterschiedlich.

Bekannte Linearisierschaltungen hierfür ermöglichen entweder nur in einem sehr kleinen Arbeitsbereich eine Linearisierung oder aber sie sind kompliziert und aufwendig.

Weiterhin sind Diodennetzwerke und auch aktive Schaltungen bekannt, wobei durch eine physikalische Eigenschaft eines Bauteiles z. B. einer Diode oder eines Transistors, ein gewünschter fester funktioneller Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung erzielt wird. Hierzu gehören Radizierer, Logarithmierer usw. Funktionsgeneratoren werden auch mit Hilfe von Polygonschaltungen und auch mit Hilfe von Potenzreihen realisiert. Nachteilig sind hierbei insbesondere der relativ große Aufwand und eine zusätzlich erforderliche Temperaturkompensation.

Auch digitale Schaltungen werden als Funktionsgeneratoren verwendet. Sie enthalten eine programmierbare Schaltung und Speicher, wobei ebenso auch Polygonschaltungen oder Potenzreihen realisiert werden können. Nachteilig ist auch hierbei der vergleichsweise sehr hohe Schaltaufwand.

Vielfach werden auch Trägerfrequenzschaltungen benutzt, da Sensoren häufig eine geringe Empfindlichkeit besitzen und in hochempfindlichen Meßgeräten Verwendung finden sollen. Für diese Trägerfrequenzschaltungen werden Wechselspannungsverstärker benutzt, die einfach aufgebaut werden können und eine hohe Nullpunktkonstanz besitzen.

Es ist auch eine Schaltung bekannt, die einen in die Rückführung zwischen Ausgang und Eingang eines Verstärkers eingesetzten sensorischen Widerstand aufweist. Hierbei liegen beide Enden des Sensors an HIGH. Die Schaltung hat den Vorteil, daß sie eine gute Proportionalität zwischen Widerstandsänderungen und der Ausgangsspannung besitzt. Die Schaltung ist für Gleich- und Wechselspannungsverstärkung verwendbar, kann jedoch nicht für induktive oder kapazitive Sensoren verwendet werden, da die entstehende Phasenverschiebung den Phasenspielraum des Verstärkers überschreitet.

Es ist weiterhin eine Linearisierungsschaltung für einen PT 100-Temperaturfühler bekannt (Typ 2841 von NBN Elektronik GmbH, Starnberg), die jedoch sehr schaltungsaufwendig und nur für ohm′sche Sensoren geeignet ist. Außerdem ist sie nur für Gleichspannungsspeisung verwendbar und benötigt daher einen relativ teuren Gleichspannungsverstärker mit stabilem Nullpunkt. Außerdem ist diese Schaltung nur für Eintaktbetrieb geeignet. Auch eine Linearisierungsschaltung der Firma Linear- Technology mit zwei Verstärkern ist vergleichsweise schaltungsaufwendig und hat die weiteren Nachteile, daß sie nur für Gleichspannungsspeisung, nur für ohm′sche Sensoren, nur für Eintaktbetrieb ausgelegt ist und zwei Rückführungen besitzt. Außerdem müssen hier zwei teure Gleichspannungsverstärker verwendet werden.

Die DE-AS 21 29 567 zeigt eine Linearisierungsschaltung mit einem Verstärker mit einer zusätzlichen Steuerschaltung. Diese Schaltung ist nur für Gleichspannungsspeiseung, nur für Eintaktbetrieb und auch nur für ohm′sche Sensoren geeignet. Außerdem muß auch hier ein teurer Gleichspannungsverstärker verwendet werden. Auch hier sind zwei Rückführungen erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Linearisierungsschaltung mit möglichst einfachen und wenigen Bauteilen zu schaffen, die aber trotzdem Linearisierungen mit einer maximalen Nichtlinearität im Promillebereich ermöglicht. Die Linearisierungsschaltung soll sowohl für Gleich- als auch für Wechselspannungsspeisung geeignet sein. Außerdem sollen kapazitive Sensoren, induktive Sensoren und auch ohm′sche Sensoren verwendet werden können. Dabei soll die Schaltung eine geringe Temperatur- und auch geringe Versorgungsspannungsempfindlichkeit aufweisen. Außerdem sollen außer einer Linearisierung auch spezielle gekrümmte Übertragungskennlinien erzeugt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß die Widerstandsänderungen des Sensors zweimal unabhängig erfaßt werden, wobei die erste Erfassung zur Erzeugung des Meßsignales und die zweite Erfassung zur Veränderung des Meßsignales vorgesehen ist. Dadurch kann in einem sehr weiten Bereich eine Übertragungskennlinie verändert werden, wobei sehr gute Linearisierungen möglich sind.

Zweckmäßigerweise sind zur unabhängigen Erfassung der Widerstandsänderung des Sensors, diesem wenigstens zwei unterschiedlich einwirkende Stromkreise zugeordnet, wobei der eine Stromkreis im wesentlichen zur Erzeugung des Signales über den sich ändernden Widerstand und der andere Stromkreis im wesentlichen der Veränderung der Kurvenform der Übertragungskennlinie mit Hilfe des sich ändernden Widerstandes dient. Durch diese Maßnahmen kann eine vorhandene Übertragungskennlinie bei geringem Auwand beeinflußt, z. B. linearisiert werden, wobei dies insbesondere auch mit induktiven und kapazitiven sensorischen Widerständen möglich ist.

Eine Ausführungsform sieht vor, daß sich in einem ersten, mit einer Spannungsquelle verbundenen Stromkreis eine Reihenschaltung aus einem festen Widerstand und einem steuerbaren oder sensorischen Widerstand befindet und daß ein zweiter Stromkreis mit einem an der Verbindung der Widerstände des ersten Stromkreises angeschlossenen Rückführung eines Verstärkers vorgesehen ist. Bei dieser Schaltung erfolgt über die Gegenkopplung eine aktive Beeinflussung der Spannung des steuerbaren oder sensorischen Widerstandes, wobei z. B. nichtlineare Abweichungen des sensorischen Widerstandes od. dgl. in Richtung einer Linearisierung der Übertragungskennlinie der Schaltung verändert werden. Wichtig ist hierbei die zweifache Erfassung des Sensors am einen Ende, während das andere Ende an LOW oder Masse liegt.

Man kann die Wirkungsweise der Schaltung erfindungsgemäss auch so verstehen, in dem der Widerstand der Rückführung durch die Widerstandsänderungen des Sensors verändert werden und somit die Verstärkung verändern.

Eine einfache Ausführungsform sieht vor, daß die Schaltung als Eintaktschaltung ausgebildet ist und als aktives Bauteil einen einzigen Verstärker mit nur einer einzigen Rückführung aufweist. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau bei guter Wirksamkeit hinsichtlich der Linearisierung.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung sieht vor, daß sie als Gegentaktschaltung mit wenigstens zwei Verstärkern ausgebildet ist und, daß die Rückkopplungen oder Gegenkopplungen der Verstärker nur mit je einem Ende an dem steuerbaren oder sensorischen Widerstand angeschlossen sind. Dadurch ergibt sich eine hohe Maßempfindlichkeit.

Außerdem können dadurch Temperatur- und Spannungsversorgungseinflüsse insbesondere auf den Nullpunkt weitgehend vermieden werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei einer Gegentaktschaltung die beiden nicht invertierenden Eingänge der beiden Verstärker jeweils direkt an gegenüberliegende Mitten der Brückenzweige angeschlossen sind und daß die Rückführungen dem gegenüber gekreuzt an die Mitten der Brückenzweige angeschlossen sind.

Bei Operationsverstärkern ist es bekannt, daß der positive Eingang und der negative Eingang zsuammen mit den Gegenkopplungswiderständen verschiedene Verstärkungen besitzen. Durch die vorerwähnte Beschaltung wird diese Tatsache verwendet, wodurch die beiden Ausgänge der Operationsverstärker auch bei abgeglichener Brücke noch einen beträchtlichen Teil der Speisespannung übertragen. Dies ist ein besonderer Vorteil bei Trägerfrequenzbetrieb und bei Verwendung von nachgeschalteten Meßgleichrichtern, welche hierdurch ausreichende Vorspannung besitzen. Die Meßgleichrichter können dadurch in einem sehr linearen Arbeitsbereich verwendet werden.

Eine vorteilhafte Anwendung ergibt sich, wenn die Schaltung als sensorischen Widerstand eine durch einen miniaturisierten, induktiven Aufnehmer gebildete Näherungsmeßeinrichtung mit sehr unlinearer Weg- Induktivitätskennlinie aufweist. Gerade bei besonders kleinen Bauformen von induktiven Aufnehmern ist es schwierig, eine günstige Kennlinie zu erhalten. Solche miniaturisierten, induktiven Aufnehmer liefern eine sehr gekrümmte Kennlinie. Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich besondere gut zur Verbesserung einer solchen Kennlinie.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verändern einer Übertragungskennlinie z. B. von Analogrechnern oder Meßwertaufnehmern. Dieses Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal zum Einen durch den sensiblen oder steuerbaren Widerstand (z. B. einem Fet) fließenden Strom erzeugt, das andere Mal durch einen Verstärker wie oben beschrieben gemessen und verändert wird. Es ergeben sich dadurch die in Verbindung mit der Schaltung beschriebenen Vorteile.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß zunächst an den Verstärkerausgängen parabelförmige oder parabelähnliche Übertragungskennlinien und danach durch Mittelwertbildungen oder durch Differenzbildungen lineare Übertragungskennlinien erzeugt werden. Hierbei wird in einem ersten Schritt z. B. eine verzerrte Übertragungskennlinie in einen möglichst genauen Parabelbogen übergeführt.

Da Parabeln eine konstante Steigungszunahme haben, ist danach eine besonders gute Linearisierung möglich.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Eine Schaltung zur elektrischen Temperaturmessung mit einem beschalteten NTC-widerstand,

Fig. 2 zwei in einer sogenannten Halbbrücke angeordnete sensorische, induktive Widerstände,

Fig. 3 eine Schaltung mit einem in der Rückführung eines Verstärkers liegenden sensorischen Widerstand,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung in Eintaktausführung mit einem Sensor,

Fig. 5 ein Diagramm mit fünf verschiedenen Fehlerkurven,

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Schaltung für Gegentaktbetrieb mit zwei Sensoren,

Fig. 7 ein Diagramm mit einer Fehlerkurve,

Fig. 8 ein Vektordiagramm,

Fig. 9a einen induktiven Aufnehmer mit Anker in unterschiedlichen Arbeitsstellungen,

Fig. 9b den Arbeitsstellungen des in Fig. 9a gezeigten Ankers zugeordneten Induktivitäts-Weg-Diagramme,

Fig. 9c den Verlauf der Ausgangswechselspannung in Abhängigkeit von der Arbeitsstellung des Ankers,

Fig. 9d Diagramme der Übertragungskennlinie der Ausgangsspannung nach Differenzbildung von 9c,

Fig. 10 eine vergrößerte Darstellung eines induktiven Meßwertaufnehmers in Eintaktausführung und

Fig. 11 einen Meßwertaufnehmer in Gegentaktausführung.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes, passives Netzwerk mit einem durch einen Nebenwiderstand R 3 und einen Reihenwiderstand R 2 beschalteten NTC-Widerstand R 1. Diese Schaltung dient zur elektrischen Temperaturmessung. Zwischen Temperatur und Widerstand des NTC-Widerstandes besteht kein linearer Zusammenhang. Durch die beiden Widerstände R 2 und R 3 wird eine Annäherung an eine lineare Übertragungskennlinie erreicht.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit zwei sensorischen, induktiven widerständen R 4 und R 5, die als Halbbrücke geschaltet sind. Hierbei ist nur ein relativ kleiner linearer Bereich der Kennlinien vorhanden. Fig. 3 zeigt schließlich eine bekannte Schaltung, bei der der sensorische Widerstand R 7 in der Rückführung eines Verstärkers zwischen dessen Ausgang und den negativen Eingang und somit mit beiden Anschlüssen auf HIGH-Potential angeordnet ist. Bei dieser Schaltung können keine komplexen, sensorischen Widerstände verwendet werden.

In Fig. 4 ist eine einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linearisierungsschaltung gezeigt, wobei ein Sensor R 8 in einer Brückenschaltung mit den weiteren Widerständen R 9, R 10 und R 11 angeordnet ist. Dabei ist R 10 eine Festinduktivität, so daß in Nullage des Sensors R 8 die Meßbrücke abgeglichen ist.

An die Außenanschlüsse mit den Klemmen K wird ein Generator für die Trägerfrequenz angelegt. Die Schaltung ist hier als Eintaktschaltung ausgebildet, wobei als aktives Bauteil ein einziger Verstärker mit einer einzigen Rückführung mit den Widerständen R 12, R 13 und gegf. R 30 an die Brückenzweige angeschlossen sind. Mit den Rückführungswiderständen R 12 und R 13 wird die Verstärkung des Verstärkers V festgelegt und mit Hilfe des Widerstandes R 30 kann der Innenwiderstand der Rückführung ohne Beeinflussung der Verstäkung verändert werden. Die Funktionsweise dieser einfachen, erfindungsgemäßen Schaltung ist folgende:

Zunächst sei angenommen, daß die Widerstände R 12 und R 13 der Rückführung hochohmig sind, so daß die Rückführung praktisch keinen Einfluß auf die Brückenanordnung ausübt. Bei Veränderungen des Sensors R 8 wird die Brücke verstimmt, wobei kleine Änderungen der Brückenspannung zwischen den beiden Brückenmittelpunkten durch den Verstärker verstärkt und am Ausgang als Ausgangsspannung Ua zur Verfügung steht. Dies entspricht der üblichen Arbeitsweise von Brücke und Verstärker. Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4 mit zunächst hochohmiger Rückführung würde der in Fig. 5 gezeigten Fehlerkurve A entsprechend. Wenn nun schrittweise die Gegenkopplung des Verstärkers V durch Verkleinerung eines Überbrückungswiderstandes R 30 der Gegenkopplung verändert wird, erhält man Fehlerkurven, die sich entsprechend schrittweise verändern, wobei zunächst eine zunehmende Verbesserung (vgl. Zwischenkurve B) eintritt bis sich eine mittlere günstigste Fehlerkurve C einstellt. Diese Fehlerkurve C weist bezüglich der Abszisse etwa gleich weite Ausschläge nach + und nach - auf.

Bei weiterer Verkleinerung des Widerstandes R 30 wird die Form der Fehlerkurve über die Kurve C hinaus verändert, wie dies in den Kurven D und E gezeigt ist. Auf diese Weise ist es auch möglich, die Fehlerkurve und damit die Übertragungskennlinie weitgehendst zu verändern. Die Krümmung der Übertragungskennlinie kann hierbei in eine entgegengesetzt gekrümmte Form verändert werden, so daß die Krümmung der Übertragungskennlinie "durchgedrückt" wird, wobei die im Mittel zuvor positive Krümmung in eine im Mittel negative Krümmung oder umgekehrt verformt wird.

Man erkennt hierbei auch die beiden Einflußnahmen auf den sensorischen Widerstand R 8, einmal die Erzeugung des Signales durch Anlegung der Oszillatorspannung an die Brücke (Kurve A in Fig. 5) zum anderen durch den Einfluß der Gegenkopplung auf den einen Brückenmittelpunkt zwischen R 8 und R 9 durch verschiedene Widerstände der Rückführung bei konstanter Verstärkung (Fig. 5) Kuven B bis E.

In der Praxis kann der Widerstand R 30 entfallen in dem man die beiden Widerstände R 12 und R 13 in geeigneter Weise auslegt, das Verhältnis R 12/R 13 jedoch konstant hält. Erwähnt sei noch, daß sich vorteilhafterweise herausgestellt hat, daß die Brücke auch mit Gleichspannung gespeist werden kann und, daß die Anordnung auch mit Gleichspannung oder Gleichströmen mit nur ohmschen Widerständen arbeitet.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung für Gegentaktbetrieb. Auch hier ist eine Brückenschaltung mit in diesem Ausführungsbeispiel zwei sensorischen oder steuerbaren Widerständen R 14 und R 16 sowie den beiden Widerständen R 15 und R 17 vorhanden. Außerdem erkennt man zwei Verstärker V jeweils mit Rückführungen mit den Rückführungswiderständen R 19 und R 20 bzw. R 21, R 22. An die Ausgänge der Verstärker V sind Gleichrichter G 1 mit nachgeschalteten Widerständen R 23, R 24 angeschlossen. Die Gegentaktschaltung ist besonders vorteilhaft, da sie eine wesentlich höhere Empfindlichkeit und auch eine wesentlich höhere Stabilität gegen Temperaturschwankungen und Versorgungsspannungsschwankungen aufweist.

Außerdem ist eine sehr viel bessere Linearität erreichbar. Überraschend hat sich in Versuchen herausgestellt, daß die damit erzielte Linearität etwa 8 bis 10 mal besser ist als bei einer Anordnung gemäß Fig. 2.

Die erfindungsgemäßen Schaltungen nach Fig. 4 und Fig. 6, wo der oder die steuerbaren oder sensorischen Widerstände an Masse oder LOW geschaltet sind, und wobei das andere Ende mit dem oder den Verstärkern verbunden ist, haben auch noch den erheblichen Vorteil, daß eine Phasenverschiebung durch die steuerbaren oder sensorischen Induktivitäten R 8 bzw. R 14 und R 16 mit ihren z. B. ohmschen Festwiderständen R 9 bzw. R 15 und R 17 für den Verstärker nicht störend wirken.

Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, die sensorischen oder steuerbaren Widerstände R 8 bzw. R 14, R 16 in den oberen Teil der Brückenanordnung und die dort befindlichen Festwiderstände in den unteren Teil der Brückenanordnung zu vertauschen. Auch hier erhält man die Möglichkeit, die Übertragungskennlinie stark zu beeinflussen. Auch hier treten keine Schwierigkeiten durch Phasenverschiebung auf.

Die festen, ohmschen Vorwiderstände R 9, R 11, bzw. R 15, R 17 haben nicht nur sehr erwünschte stabilisierende Eigenschaften auf die Schaltung, sondern sind gleichzeitig auch ein Schutz gegen Überhitzung bei Kurzschluss der Sensoren R 8, R 14, R 16 und der Drossel R 10.

Während bei der Schaltung nach Fig. 4 die Möglichkeit der direkten Linearisierung besteht, kann bei der Schaltung nach Fig. 6 diese auch so dimensioniert sein, daß an den beiden Verstärkungsausgängen nicht sofort eine bestmögliche Linearisierung erzielt wird, sondern zunächst an den Verstärkerausgängen eine möglichst exakte parabelförmige Übertragungskennline entsteht.

Erst durch die nachträgliche Differenzbildung z. B. auf der Gleichspannungsseite ergibt sich dann eine sehr lineare Übertragungskennlinie mit einer sehr guten Fehlerkurve.

Fig. 7 zeigt eine entsprechende Fehlerkurve mit einem maximalen Fehler von weniger als ± 1,5 Promill.

Fig. 8 zeigt ein Vektordiagramm, wobei die Eingangswechselspannung mit U _e , der Spannungsabfall an der reinen Induktivität mit U _L und der Spannungsabfall am Vorwiderstand und am Verlustwiderstand der Spule mit U _R9 plus U _RV bezeichnet sind. Da der Verlustwiderstand der Spule nicht zugänglich ist, kann nur mit den Spannungen an den Widerständen R 9 und R 8 gearbeitet werden. Man erkennt, daß hierdurch ein neuer verkleinerter Thaleskreis entsteht, auf dem die Brückenmitten arbeiten. Auch dieser verkleinerte Thaleskreis trägt mit zur Veränderung der Übertragungskennlinie bei. Die hierdurch bedingten Änderungen sind jedoch im Vergleich zu der vorbeschriebenen Beeinflussung durch die Gegenkopplung kleiner. Für kleine Änderungen der Übertragungskennlinie genügt näherungsweise bereits die Änderung der Übertragungskennlinie durch den Thaleskreis, was ggf. zur direkten Linearisierung benutzt werden kann. Der genaue Abgleich erfolgt jedoch vorzugsweise durch die Einstellung der Rückführung.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung ist in den Fig. 9a bis 9d noch näher erläutert. Die Zuordnung der einzelnen Fig. 9a bis 9d zueinander wurde dabei in vertikaler Richtung vorgesehen. In Fig. 9a sind zwei induktive Sensoren L 1 und L 2 in drei verschiedenen Stellungen des Ankers A dargestellt. Durch den rechts eingezeichneten Doppelpfeil ist die Bewegungsrichtung des Ankers gekennzeichnet.

Fig. 9b zeigt den Verlauf der Induktivität von L 1 und L 2 über den Ankerweg S. Für die jeweiligen Stellungen des Ankers gem. Fig. 9a sind Punkte in der Kennlinie eingetragen und dementsprechend mit L 1 und L 2 bezeichnet.

In der mittleren Stellung (entspricht der mittleren, vertikalen Reihe in den Zeichnungsfiguren 9a bis 9d) sind die beiden Induktivitäten L 1, L 2 gleich groß. Man erkennt den gekrümmten Verlauf der Induktivitäten gegen den Weg. Es wird hier vorausgesetzt, daß die Kennlinien beider Induktivitäten identisch sind, was praktisch auch leicht erreichbar ist.

Fig. 9c zeigt den zugehörigen Verlauf der Ausgangswechselspannungen U _V1 und U _V2 der beiden Verstärker V aus Fig. 6. Die zu den oberen Abbildungen gehörigen Werte sind auch hier durch Punkte gekennzeichnet. In Mittelstellung des Ankers A sind die beiden Spannungen U _V1 und U _V2 gleich groß. Deutlich ist erkennbar, daß die Krümmung der Kennlinie in Fig. 9c entgegengesetzt zur Krümmung der Kennlinien von Fig. 9b verläuft. Wie bereits vorbeschrieben wurden die Kennlinien durch die Rückführung "durchgedrückt". Die Kennlinien gem. Fig. 9c sind nahezu vollkommene Parabeln zweiten Grades.

Fig. 9d zeigt die Übertragungskennlinie der Ausgangsspannung U _a gegen den Weg S des Ankers A. Es sind Geraden und durch Differenzbildung zweier Werte einer Parabel entstanden. Die in Fig. 9d linke Darstellung zeigt die Lage der Ausgangsspannung, wenn sich der Anker A näher an der Induktivität L 1 befindet, wie in Fig. 9a links zu erkennen ist und dementsprechend ist die Ausgangsspannung in Fig. 9d Mitte in Mittelstellung des Ankers und rechts in einer Stellung näher an L 2 dargestellt. In Mittelstellung ist die Ausgangsspannung U _a gleich Null.

Die Justierung zur Linearisierung der Schaltung erfolgt vorzugsweise durch Abgleich der Widerstände der Rückführung ohne Verstärkungsänderung, unter Beobachtung der Ausgangsspannung U _a gegen den Weg des Ankers. Hierdurch werden auch die Parabeln am Verstärkerausgang (Fig. 9c) optimiert, ohne daß eine Beobachtung oder ein besonderer Abgleich notwendig ist. Mehrere Testreihen haben ergeben, daß die indirekte Linearisierung mit Parabeln als Zwischenergebnis noch günstigere Ergebnisse erbringen als eine direkte Linearisierung der Wechselausgangsspannungen der Verstärker bzw. wie dies mit der Schaltung nach Fig. 4 möglich ist.

Fig. 10 und 11 zeigen den Aufbau eines miniaturisierten, induktiven Meßwertaufnehmers in Eintakt- bzw. in Gegentaktausführung für einen Druckaufnehmer in etwa 10-facher Vergrößerung. Ein solcher miniaturisierter Meßwertaufnehmer läßt sich besonders vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Schaltung verwenden.

Solche miniaturisierten Aufnehmer, die an sich preiswerter und einfacher herstellbar sind, haben jedoch die Eigenschaft, daß ihre Kennlinie wesentlich gekrümmter ist als die sonst verwendeten Aufnehmer mit einem Durchmesser von z. B. 20 mm oder mehr. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schaltung können in vorteilhafter Weise nun auch solche Aufnehmer mit stark gekrümmter Kennlinie - Induktivität/Weg - hervorragend linearisiert werden, wobei der Linearitätsfehler gegenüber bisherigen Anordnungen bis ca. um den Faktor 10 verbessert werden konnte.

Erwähnt sei noch, daß, wie in Fig. 7 erkennbar, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung die Fehler bei ca. ± 1 bis - 1,5 Promill betragen, während die Fehler bei einer bekannten Schaltung nach Fig. 2 ca. ± 1,5 bis ± 2% betragen.

Bei den Schaltungen nach Fig. 4 und Fig. 6 ist noch eine weitere Besonderheit erkennbar. In die Zuleitung bzw. Zuleitungen zum positiven Eingang der Verstärker wird der sonst übliche Spannungsteiler weggelassen. Hierdurch entsteht an der Ausgängen der Verstärker eine Grundwechselspannung, welche die Meßgleichrichter, z. B. Spitzengleichrichter dauernd in einen Arbeitsbereich hoher Linearität aussteuern und somit die Signale mit hoher Linearität gleichrichten und weitergeben kann. Außerdem erhält man dadurch eine Schaltungsvereinfachung und die Gleichrichter sind auch weniger temperaturabhängig.

In Verbindung mit Fig. 6 sei noch erwähnt, daß die Verstärker V mit wechselnder Polung über Kreuz an die Brücke angeschlossen sind. So sind beide Brückenmitten jeweils mit den Pluseingängen und über die Widerstände R 19, R 21 mit den Minuseingängen der Verstärker verbunden. An die Verstärkerausgänge sind jeweils die Gleichrichter GL mit unterschiedlicher Polung angeschlossen. An diese sind die Widerstände R 23 und R 24 angeschlossen, die miteinander verbunden sind, wobei an deren Verbindungsstelle ein Ausgangssignal als arithmetisches Mittel entnommen werden kann. Dadurch werden auch Gleichtaktspannungen eliminiert.

Die bereits vorerwähnten besonders guten Ergebnisse hinsichtlich der Linearität mit der erfindungsgemäßen Schaltung konnten auch mit dem miniaturisierten, induktiven Meßwertaufnehmer gem. Fig. 10 und 11 erzielt werden. Ein solcher Aufnehmer weist beispielsweise einen Außendurchmesser von 9 oder weniger Millimetern auf. Er hat einen sehr kleinen, meist unbedeutenden linearen Bereich. Schon bei einem Hub von 0 bis ± 0,1 mm bzw. 0 bis ± 0,3 mm stellt sich eine sehr unlineare Kennlinie ein, die etwa kreis-, parabel- oder hyperbelförmig oder ählich gekrümmt ist. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung ist es möglich, mit sehr einfachen Mitteln eine nahezu ideale Linearisierung zu erreichen. Dabei hat es sich in der Praxis herausgestellt, daß auch bei einer Serienfertigung nicht jede Schaltung einzeln abgeglichen werden muß, sondern es genügt bereits, jeweils zwei etwa auf Gleichheit ausgesuchte induktive Aufnehmer einzusetzen.

Anstelle von sensorischen Widerständen od. dgl., d. h. Bauteilen, die durch eine physikalische Größe z. B. Licht, Temperatur, Weg und dgl. eine Widerstandsänderung erfahren, können auch steuerbare Widerstände, z. B. Feldeffekttransistoren oder Kapazitätsdioden usw. verwendet werden. Hierbei wird die nicht direkt mit sensorischen Widerständen erfaßbare, physikalische Größe zunächst in eine Spannung oder einen Strom umgesetzt und dann den steuerbaren Widerständen zugeführt. Erwähnt sei noch, daß die erfindungsgemäße Schaltung außer in Verbindung mit Meßwertaufnehmern auch ganz allgemein in Analogrechnern verwendet werden kann.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist durch ihre Rückführung(en) besonders geeignet, eine Konstanz der Steigungszunahme der Ausgangsspannungen der Verstärker zu erzielen, da die Rückführung(en), insbesondere bei der Gegentaktschaltung, die Differenzspannungen der Brücke, also die Signale und damit die Verformung der Signale in die Rückführung einschließen.

Zum besseren Verständnis können die beiden Verstärker der Gegentaktschaltung (Fig. 6) auch als ein einziger Verstärker betrachtet werden, welcher in Abweichung zu üblichen Anordnungen zwei Eingänge jeweils mit Gegenkopplungen oder Rückführungen und zwei Ausgänge aufweist. Gleichzeitig handelt es sich hierbei um einen Differenzverstärker, welcher beide Sensoren in den Rückführungen einschließt. Bei der Justierung des Verstärkers, also beim Abgleich der beiden Vorwiderstände zu den Sensoren, d. h. der Brücke, sowie der vier Rückführungswiderstände werden die Unlinearitäten oder die Übertragungskennlinien der Sensoren zusammen mit den Übertragungseigenschaften des Verstärkers in der Weise abgeglichen, daß die gesamte Übertragungskennlinie auf einem Parabelbogen läuft. Beim Nulldurchgang wechseln die Arbeitspunkte der beiden Ausgänge ihren Parabelbogenabschnitt. Daraus ist auch verständlich, daß diese Verstärkeranordnung leicht auf konstante Steigungszu- oder abnahmen der Verstärkerausgänge abgeglichen werden kann. Auf eine mathematische Beschreibung wird verzichtet, jedoch könnte eine computergestützte Berechnung der Übertragungskennlinie durchgeführt werden, wenn die Eigenschaften der Sensoren bekannt sind. Die Verstärker können dabei, obwohl sie symmetrisch aufgebaut sind, an ihren Ausgängen sehr unterschiedliche Amplituden aufweisen.

So ist es möglich, die parabelförmige Übertragungskennlinie bis nahe an den Scheitel, an den Scheitel oder über den Scheitel der Parabel hinaus einzustellen oder zu verwenden, was insbesondere bei starker Gegenkopplung notwendig ist.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (27)

1. Schaltung mit unabhängiger Gleich- oder Wechselspannungsquelle und mit wenigstens einem Verstärker zur Veränderung oder Linearisierung der Übertragungskennlinie eines steuerbaren oder sensorischen Widerstandes oder dergleichen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsänderungen des Sensors zweimal unabhängig erfaßt werden, wobei die erste Erfassung zur Erzeugung des Meßsignales und die zweite Erfassung zur Veränderung des Meßsignales vorgesehen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur unabhängigen Erfassung der Widerstandsänderungen des Sensors, diesem wenigstens zwei unterschiedlich einwirkende Stromkreise zugeordnet sind, wobei der eine Stromkreis im wesentlichen zur Erzeugung des Signales über den sich ändernden Widerstand und der andere Stromkreis im wesentlichen der Veränderung der Kurvenform der Übertragungskennlinie mit Hilfe des sich ändernden Widerstandes dient.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem ersten, mit einer Spannungsquelle verbundenen Stromkreis eine Reihenschaltung aus einem festen Widerstand und einem steuerbaren oder sensorischen Widerstand befindet und daß ein zweiter Stromkreis mit einem an der Verbindung der Widerstände des ersten Stromkreises angeschlossenen Rückführung eines Verstärkers vorgesehen ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Sensoren aufweist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Eintaktschaltung ausgebildet ist und als aktives Bauteil einen einzigen Verstärker (V) mit nur einer einzigen Rückführung aufweist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Eintaktschaltung die Rückkopplung oder Gegenkopplung des Verstärkers nur an einem Ende des steuerbaren oder sensorischen Widerstandes angeschlossen ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Gegentaktschaltung (Fig. 6) mit wenigstens zwei Verstärkern (V) ausgebildet ist und daß die Rückkopplungen oder Gegenkopplungen der Verstärker nur mit je einem Ende an den steuerbaren oder sensorischen Widerstand angeschlossen sind.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Sensoren mit einem Anschlußende an LOW oder Masse der Spannungsquelle sowie an LOW oder Masse des Verstärkers angeschlossen sind, daß das andere Ende des oder der Sensoren an einen Widerstand und außerdem an die Rückführung eines Verstärkers angeschlossen ist und daß der oder die Widerstände mit ihren anderen Enden an HIGH der Spannungsquelle angeschlossen sind.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Sensoren mit einem Ende an HIGH der Spannungsquelle sowie mit ihrem anderen Ende an einen Widerstand und außerdem an die Rückführung eines Verstärkers angeschlossen ist bzw. sind, und daß der oder die Widerstände mit ihren anderen Enden an LOW oder Masse des Verstärkers angeschlossen sind.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Sensoren jeweils zusammen mit einem oder mehreren ohm′schen Widerständen in Brückenanordnung verschaltet sind.

11. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gegentaktschaltung die beiden nicht invertierenden Eingänge der beiden Verstärker (V) jeweils direkt an gegenüberliegende Mitten der Brückenzweige angeschlossen sind und daß die Rückführungen demgegenüber gekreuzt an die Mitten der Brückenzweige angeschlossen sind.

12. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Übertragungskennlinie bei einer Gegentaktschaltung die beiden Rückführungen unsymmetrisch und somit unterschiedlich wirksam dimensioniert sind.

13. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gegentaktschaltung an die Ausgänge der beiden Verstärker (V) Gleichrichter (G 1) mit jeweils unterschiedlicher Polarität und an diese eine Mittelwert-bildende Zusatzschaltung, vorzugsweise mit zwei Widerständen R 23, R 24 angeschlossen sind.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gegentaktschaltung an die Ausgänge der beiden Verstärker jeweils Gleichrichter (G 1) mit gleicher Polarität und an diese eine differenzbildende Zusatzschaltung z. B. ein Differenzverstärker angeschlossen ist.

15. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gegentaktschaltung die beiden Verstärker (V) mit ihren Eingängen mit unterschiedlicher Polarität an die jeweiligen Mitten der Brückenzweige angeschlossen sind.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren ohm′sche Widerstände und zur Speisung Gleichspannung vorgesehen ist.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als ohm′sche, kapazitive oder induktive Widerstände ausgebildet sind und daß zur Speisung Wechselspannung vorgesehen ist.

18. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere steuerbare Widerstände, z. B. ein oder mehrere Feldeffekttransistoren, Kapazitätsdioden od. dgl. vorgesehen sind, die durch von anderen physikalischen Größen abgeleitenden Spannungen oder Strömen angesteuert sind.

19. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die von anderen physikalischen Größen abgeleiteten Spannungen oder Ströme im Gegentakt gesteuert sind.

20. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungen ggfs. mit gemischter Gegen- und Rückkopplung mittels Änderung des Widerstandes der beiden Rückführungswiderstände ohne Verstärkungsänderung so einstellbar sind, daß die Krümmung der Übertragungskennlinie durchgedrückt wird, wobei die im Mittel zuvor positive Krümmung in eine im Mittel negative Krümmung oder die zuvor im Mittel negative Krümmung in eine im Mittel positive Krümmung verformt wird.

21. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Widerstandsänderung der Rückführung wenigstens jeweils ein ggfs. einstellbarer Widerstand (R 30) parallel zu den Rückführungswiderständen (R 12, R 13, R 19, R 20, R 21, R 22) geschaltet ist.

22. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als Quadrierer, Radizierer, Multiplizierer usw. mit einer parabelförmigen oder parabelähnlichen Übertragungskennlinie ausgebildet ist.

23. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als sensorischer Widerstand eine durch einen miniaturisierten, induktiven Aufnehmer gebildete Näherungsmeßeinrichtung mit sehr unlinearer Weg- Induktivitäts-Kennlinie vorgesehen ist.

24. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwiderstände der Sensoren auch als Schutzwiderstände gegen Überhitzung der Sensoren dienen.

25. Verfahren zum Verändern einer Übertragungskennlinie z. B. von Analogrechnern oder Meßwertaufnehmern mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal zum einen durch einen steuerbaren oder sensorischen Widerstand fließenden Strom erzeugt und zum anderen Mal durch einen Verstärker gemessen und verändert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine parabelförmige oder parabelähnliche Übertragungskennlinie und danach durch Mittelwertbildung oder durch Differenzbildung eine lineare Übertragungskennlinie erzeugt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die parabelförmige oder parabelähnliche Zwischenübertragungskennlinie bis nahe oder an den Scheitel oder über den Scheitel der Parabel hinaus geführt oder erzeugt wird.