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Regel- und umschaltbare Stromquelle ohne elektronischen Schalter

IP.com Disclosure Number: IPCOM000010085D
Original Publication Date: 2002-Nov-25
Included in the Prior Art Database: 2002-Nov-25
Document File: 1 page(s) / 68K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Moderne Temperatur-Messumformer sind in der Lage, mehrere Sensorwiderstaende oder Spannungen von Thermoelementen gleichzeitig zu messen. Hintergrund ist die Moeglichkeit, beim Ausfall eines Sensors immer noch eine Temperaturinformation liefern zu koennen. Moeglich ist auch, direkt Temperaturdifferenzen zwischen Messstellen auszugeben. Werden Widerstaende gemessen, ist der Einsatz von Stromquellen verbreitet. Die alternative Nutzung von Spannungsquellen und Vorwiderstaenden ist bei solchen Geraeten nicht wuenschenswert, da im Kurzschlussfall die Gefahr besteht, die interne Spannungsversorgung des Geraetes zu ueberlasten und damit Fehlfunktionen auszuloesen. Ist der Vorwiderstand gross genug dimensioniert, um den Kurzschlussfall zu decken, ist der Messstrom bei hohen Messwiderstaenden zu klein, um die geforderte Praezision (meist <0,1%) zu erreichen. Die Umschaltung mehrerer Vorwiderstaende und Schalter ist aufwendig und teuer. Bei zwei zu messenden Widerstaenden werden eine Stromquelle und ein Umschalter oder alternativ zwei abschaltbare Stromquellen benoetigt. Dazu kommen Diagnose-Funktionen, z.B. Brucherkennung bei Thermoelementen. Dafuer werden ebenfalls Stromquellen eingesetzt. Aktuelle Geraete verfuegen meist ueber eine einzige Stromquelle, die ueber einen Umschalter zwischen den zwei zu messenden Zweigen umgeschaltet wird. Dazu muss der Umschalter sehr geringe Leckstroeme aufweisen, da diese Leckstroeme einen direkten Einfluss auf die Praezision des Geraetes haben. Diese Bauelemente sind nur ueber einige spezialisierte Firmen zu beziehen und sind sehr teuer (z.B. MAX4544 von Maxim). Es wird aus Kostengruenden auf eine aufwendige Schaltermatrix verzichtet, so dass der von der Stromquelle gelieferte Strom entweder zum einen Messzweig gefuehrt oder zum anderen wird. Ein Abschalten des Stromes bei beiden Zweigen kostet noch einen weiteren Schalter. Dadurch wird u.a. bei Messung zweier Thermoelemente immer das Thermoelement mit Strom versorgt, das nicht gemessen wird. Dies verschlechtert in hohem Masse das Langzeitverhalten der Thermoelemente. Wenn auf die Brucherkennung verzichtet wird, ist das Abschalten dennoch moeglich. Die vorliegende Idee ist eine duale Stromquelle, bei welcher der Strom abwechselnd zum ersten Messzweig oder zum zweiten Messzweig gefuehrt wird. Mit Hilfe zweier Vergleichsspannungen, die durch jeweils ein PWM-Signal und ein RC-Tiefpassfilter erzeugt werden, koennen die Stromquellen beliebige Werte annehmen, auch sehr kleine Werte (u.a. fuer die Brucherkennung). Der Aufbau verzichtet bewusst auf analoge Schalter, es werden lediglich billige Schaltelemente (Standart-Dioden) verwendet. Der grosse Vorteil dieser Loesung liegt im Preis, der Dank dem Verzicht auf teure analoge Schalter um mehr als die Haelfte gesenkt wird. Diese Schaltung erlaubt trotzdem die (Fast-) Abschaltung beider Stromquellen im Falle der Messung von zwei Thermoelementen, indem der Strom auf sehr kleine Werte gesetzt wird.

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S

© SIEMENS AG 2002 file: 2002J16905.doc page: 1

Regel- und umschaltbare Stromquelle ohne elektronischen Schalter

Idea: Burmeister Dirk, DE-Karlsruhe; Chemisky Eric, DE-Karlsruhe

Moderne Temperatur-Messumformer sind in der Lage, mehrere Sensorwiderstaende oder Spannungen von Thermoelementen gleichzeitig zu messen. Hintergrund ist die Moeglichkeit, beim Ausfall eines Sensors immer noch eine Temperaturinformation liefern zu koennen. Moeglich ist auch, direkt Temperaturdifferenzen zwischen Messstellen auszugeben.

Werden Widerstaende gemessen, ist der Einsatz von Stromquellen verbreitet. Die alternative Nutzung von Spannungsquellen und Vorwiderstaenden ist bei solchen Geraeten nicht wuenschenswert, da im Kurzschlussfall die Gefahr besteht, die interne Spannungsversorgung des Geraetes zu ueberlasten und damit Fehlfunktionen auszuloesen. Ist der Vorwiderstand gross genug dimensioniert, um den Kurzschlussfall zu decken, ist der Messstrom bei hohen Messwiderstaenden zu klein, um die geforderte Praezision (meist <0,1%) zu erreichen. Die Umschaltung mehrerer Vorwiderstaende und Schalter ist aufwendig und teuer.

Bei zwei zu messenden Widerstaenden werden eine Stromquelle und ein Umschalter oder alternativ zwei abschaltbare Stromquellen benoetigt. Dazu kommen Diagnose-Funktionen, z.B. Brucherkennung bei Thermoelementen. Dafuer werden ebenfalls Stromquellen eingesetzt.

Aktuelle Geraete verfuegen meist ueber eine einzige Stromquelle, die ueber einen Umschalter zwischen den zwei zu messenden Zweigen umgeschaltet wird. Dazu muss der Umschalter sehr geringe Leckstroeme aufweisen, da diese Leckstroeme einen direkten Einfluss auf die Praezision des Geraetes haben...