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Dokumentenidentifikation DE102004011549A1 29.09.2005
Titel Verfahren und Schaltmesskreis zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes bei gleichzeitiger Anwesenheit einer unbekannten festen Störspannung oder eines unbekannten festen Störstroms
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Wilke, Bernd, Dipl.-Phys., 13469 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 08.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004011549
Offenlegungstag 29.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.09.2005
IPC-Hauptklasse G01R 27/08
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes in einem Stromkreis, wobei in dem Stromkreis gleichzeitig eine unbekannte feste Störspannung vorhanden ist oder ein unbekannter fester Störstrom in den Stromkreis einwirkt. Dabei werden mit einem zeitlichen Abstand nacheinander zwei sich durch eine unterschiedliche Vorgabe eines messrelevanten Parameters voneinander unterscheidende Messungen des gesamten im Stromkreis vorhandenen elektrischen Widerstandes durchgeführt und unter Anwendung geltender physikalischer Regeln die zwei Messungen derart gemeinsam ausgewertet, dass bei der Auswertung die Störspannung eliminiert und der unbekannte zu messende elektrische Widerstand bestimmt werden kann. Ferner umfasst die vorliegende Erfindung einen entsprechenden Schaltmesskreis.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes in einem Stromkreis, wobei in dem Stromkreis gleichzeitig eine unbekannte feste Störspannung vorhanden ist. Ferner umfasst die vorliegende Erfindung einen entsprechenden Stromkreis. Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, einen elektrischen Widerstand innerhalb eines Schaltmesskreises mit einem geringst möglichen Aufwand zu messen, wobei innerhalb des Stromkreises eine zusätzliche und nicht entfernbare Spannungsquelle mit einem unbekannten, dem Betrag nach aber begrenzten Spannungswert liegen kann. Eine solche Problemstellung kann auftreten, wenn ein resistiver Sensor (elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert von einer anderen Größe, die gemessen werden soll z. B. Temperatur, Luftfeuchte, Gaszusammensetzung oder Luftdruck, abhängt), wobei dieser Sensor vom eigentlichen Messgerät räumlich entfernt ist, so dass in die den Widerstand mit dem Messgerät verbindenden Drähte (bzw. in diesen Stromkreis) durch elektrochemische Kontaktpotentiale oder thermoelektrische Spannungen oder Spannungsabfälle innerhalb einer gemeinsam verwendeten Ground-Leitung die vorher genannte Störspannung einkoppeln kann. Der Widerstandswert kann auch nominal einen konstanten Wert haben, wenn nur die Existenz dieses Widerstandes mittels der Messung nachgewiesen werden soll (um z. B. zu prüfen, ob ein Kabelbruch vorliegt) oder wenn der Wert des Widerstandes dafür dient, eine Codierung eines Gerätes oder Bauelementes fernablesbar zu machen (z. B. Codierung des Typs oder der Variante eines Gerätes). Dabei ist davon auszugehen, dass der Spannungswert, im Folgenden als Störspannung bezeichnet, zeitlich konstant ist oder zumindest relativ zur Dauer einer Messung nur langsam variiert. Es wird im Folgenden davon ausgegangen, dass sowohl der Wert wie auch die Polarität der Störspannung unbekannt ist. Übliche Widerstandsmessgeräte enthalten eine Konstantstromquelle zur Speisung des unbekannten Widerstandes sowie eine Messeinrichtung für die Messung der an dem Widerstand abfallenden Spannung. Durch Division der gemessenen Spannung mit dem bekannten eingespeisten Strom ergibt sich der gesuchte Widerstandswert. Wenn in dem Stromkreis bzw. Messkreis eine zusätzliche unbekannte Spannung vorhanden ist, wird die mit dem Messgerät durchgeführte Spannungsmessung verfälscht. Dadurch errechnet sich anschließend ein falscher Wert des unbekannten zu messenden Widerstandes. Eine bekannte Lösung des eingangs beschriebenen Problems besteht darin, die Anschlüsse des Messgerätes mit normaler und umgekehrter Polarität an den unbekannten zu messenden Widerstand inklusive der Spannungsquelle der Störspannung anzuklemmen. Sodann werden die jeweils abfallenden Spannungswerte ermittelt und aus den ermittelten Spannungswerten das arithmetische Mittel gebildet. Diese Lösung setzt allerdings voraus, dass das verwendete Messgerät umgepolt werden kann, was bedeutet, dass es einen Mechanismus, wie beispielsweise ein Relais geben muss, der diese Umpolung bewirkt. Der der Erfindung zu Grunde liegende Fall bezieht sich beispielsweise auf eine Messung des Wertes eines Widerstandes, der in einer an einem Kraftfahrzeug betriebenen Antenne eingebaut ist. Der Widerstand verbindet den eigentlichen aktiven elektrischen Punkt der Antenne (also das Hochfrequenzsignal) mit dem elektrischen Nullpunkt, in diesem Fall mit dem Chassis des KFZs. Der Widerstandswert ist so groß gewählt, dass die eigentliche Funktion der Antenne, also das Empfangen der Hochfrequenz, nicht gestört wird. Der Widerstand dient dazu, dass mittels der Messung seines Wertes festgestellt werden kann, ob die Antenne in Ordnung ist, oder ob sie nicht kontaktiert ist oder gegen den elektrischen Nullpunkt kurzgeschlossen ist. Je nachdem, welcher Fall vorliegt, erhält man beim Messen des Widerstandes unterschiedliche Werte, die vom (bekannten) Sollwert mehr oder weniger abweichen. Die beschriebene Störspannung würde in diesem Fall entstehen, wenn zwischen dem Punkt, an dem der beschriebene Widerstand an das Chassis des KFZ angeschlossen ist und dem elektrischen Nullpunkt des Moduls, an das die Antenne angeschlossen ist, eine Spannungsdifferenz besteht. Diese Differenz kann dadurch entstehen, dass im elektrisch leitenden Chassis Ströme fließen (z. B. Rückstrom der Beleuchtung des KFZ) oder elektrochemische Spannungen auftreten (z. B. durch Korrosion). Es gibt demnach eine bestehende Schaltung, die aus Kostengründen nicht geändert werden soll (also keine Layoutänderung), und in der auch Änderungen der Bauelementwerte nicht erfolgen sollen ( keine Stücklistenänderung). Lediglich die Software darf geändert werden. In dem der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Fall ist demnach die bisher beschriebene Vorgehensweise nicht oder nur sehr schwer realisierbar. Zudem setzt das beschriebene Verfahren voraus, dass das eingesetzte Messgerät, soweit es mit einer automatischen Messbereichswahl versehen ist, in beiden Polaritäten im gleichen Messbereich, das heißt mit dem gleichen Strom, misst. Ansonsten könnte sich die Störspannung in den verschiedenen Messbereichen unterschiedlich auswirken, wodurch eine Ermittlung des unbekannten zu messenden Widerstandes nicht oder nur schwer möglich ist. Eine zweite Lösungsmöglichkeit wäre, den Spannungswert der zusätzlichen Spannung, das heißt der Störspannung bei abgeschalteter Stromquelle durch eine getrennte Messung zu ermitteln und bei der Berechnung des unbekannten zu bestimmenden Widerstandes zu berücksichtigen. Im dem der Erfindung zugrunde liegenden Fall ist das nicht möglich, da wegen des angestrebten geringen Aufwandes des Messgerätes bzw. der Messeinrichtung ein sogenannter in einem vorhandenen Mikroprozessor eingebauter Analog-Digital-Converter (ADC) zur Messung eingesetzt wird. Dieser Analog-Digital-Converter kann nur, gegen den elektrischen Nullpunkt gerechnet, positive Spannungen messen. Die Störspannung kann aber auch einen negativen Spannungswert haben, der dann nicht messbar wäre. Letztlich ist es denkbar, die Messung des unbekannten zu bestimmenden Widerstandes mittels einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms auszuführen. Hier wäre der Aufwand allerdings sehr groß, was der oben genannten Problemstellung nach einer möglichst einfachen Realisierung entgegen stehen würde. Man müsste an Stelle der Gleichstrom-Quelle eine Wechselstromquelle verwenden und die zu messende Spannung mit einem Wechselspannungsmessgerät messen. Auch hier würde die Realisierung auf einen starken Eingriff in die Schaltung hinauslaufen, der aus Kostengründen nicht erwünscht ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nunmehr ein Verfahren bereit zu stellen, mit dessen Hilfe es möglich ist unter Vermeidung oben genannter Nachteile, einen elektrischen Widerstand innerhalb eines Stromkreises mit einem möglichst geringen Aufwand zu messen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen entsprechenden Schaltmesskreis gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den entsprechenden Unteransprüchen aufgeführt.

Gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes in einem Stromkreis bereit gestellt, wobei in dem Stromkreis gleichzeitig eine unbekannte feste Störspannung vorhanden ist. Erfindungsgemäß werden mit einem zeitlichen Abstand nacheinander zwei sich durch eine unterschiedliche Vorgabe eines messrelevanten Parameters voneinander unterscheidende Messungen des gesamten im Stromkreis vorhandenen elektrischen Widerstandes durchgeführt und unter Anwendung geltender physikalischer Regeln die zwei Messungen derart gemeinsam ausgewertet werden, dass bei der Auswertung die Störspannung eliminiert und der unbekannte zu messende elektrische Widerstand bestimmt werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der gemeinsamen Auswertung der zwei Messungen die Kirchhoff'schen Regeln angewendet. Die Kirchhoff'schen Regeln lassen sich auf beliebige Stromkreise anwenden, vorausgesetzt, der in dem Stromkreis fließende Strom ist ein stationärer Strom. Gemäß einer der Kirchhoff'schen Regeln gilt in einem Stromkreis mit einem darin fließenden stationären Strom, dass beim Durchlaufen einer geschlossenen Schleife des Stromkreises in einem willkürlich festgelegten Umlaufsinn die Summe aller Spannungen gleich null ist. Diese Regel ist Ausdruck der Energieerhaltung in einem derartigen elektrischen Stromkreis. Eine andere zu obiger Formulierung äquivalente Formulierung lautet: in einer abgeschlossenen Schleife eines Stromkreises ist die Summe der Quellenspannungen Ui gleich der Summe der Spannungsabfälle IiRi. Die Quellenspannungen Ui sind dabei diejenigen Spannungen, die an den Stromkreis angelegt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zwei Messungen unter unterschiedlicher Vorgabe eines in den Stromkreis einzuspeisenden Stromes durchgeführt. Dabei werden dann auch zwei unterschiedlich Spannungsabfälle in dem Stromkreis gemessen. Von den beiden gemessenen Spannungen wird sodann die Differenz gebildet, ebenso von den beiden eingespeisten Strömen.

Alternativ dazu, das heißt bei einer zweiten Möglichkeit werden in einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die zwei Messungen unter unterschiedlicher Vorgabe einer an den Stromkreis anzulegenden Spannung durchgeführt. Dabei wird dann von den beiden vorgegebenen angelegten Spannungen die Differenz gebildet, ebenso von den dabei dann fließenden gemessenen Strömen. Vorzugsweise erfolgt dann die gemeinsame Auswertung der zwei Messungen durch eine Quotientenbildung aus der Differenz der zwei bei den zwei Messungen in dem Stromkreis jeweilig gemessenen oder gemäß der zweiten Möglichkeit angelegten Spannungen und der Differenz der zwei den Stromkreis bei den zwei Messungen jeweilig durchfließenden eingespeisten oder gemäß der zweiten Möglichkeit gemessenen Ströme. Dadurch wird dann letztlich der unbekannte elektrische Widerstand bestimmt.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, dass die für Stromkreise mit sogenannten Ohm'schen Widerdstände geltenden Kirchhoff'schen Regeln im mathematischen Sinn linear sind und dass sich deshalb die von mehreren verschiedenen bekannten und unbekannten Spannungs- bzw. Stromquellen verursachten Spannungs- bzw. Stromverteilungen innerhalb eines Netzwerks, hier in einem einfachen Stromkreis, ungestört überlagern. Wegen der Linearität der Kirchhoff'schen Regeln lassen sich die für verschiedenen Werte der vordefinierten eingespeisten Ströme oder alternativ dazu angelegten Spannungen entstehenden Strom- bzw. Spannungsverteilungen voneinander subtrahieren, wobei dabei dann die von anderen bekannten und unbekannten Quellen verursachten Stromverteilungen bzw. Spannungsverteilungen durch die Differenzbildung herausfallen bzw. eliminiert werden, da sie konstant geblieben sind. Dadurch bleiben in der Differenz nur noch Spannungs- bzw. Stromwerte, die zueinander proportional sind, also das Ohm'sche Gesetz erfüllen und deren Quotient den zu bestimmenden Widerstand ergibt. Alle Störquellen können somit aus der Bestimmung eliminiert werden und haben keinen Einfluss mehr auf das Messergebnis.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine in einem zeitlichen Abstand nacheinander erfolgende Einspeisung von zwei verschiedenen Strömen zur Durchführung der zwei Messungen durch eine entsprechende Programmierung einer vorgesehenen, mit dem Stromkreis in Verbindung stehenden Umschalteeinheit, wie beispielsweise eines Mikroprozessors realisiert. Eine Umpolung mittels eines Relais' ist dadurch nicht erforderlich.

Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine sehr einfache und kostengünstige Messung eines unbekannten zu bestimmenden Widerstands unter Anwesenheit einer Störspannung. Gleichzeitig wird gegenüber den eingangs erläuterten Möglichkeiten auch das Messergebnis bezüglich seiner Genauigkeit verbessert.

Die vorliegende Erfindung umfasst ferner einen Schaltmesskreis zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes, wobei in dem Schaltmesskreis neben dem unbekannten elektrischen Widerstand gleichzeitig eine unbekannte feste Störspannung vorhanden ist oder ein unbekannter fester Störstrom in den Schaltmesskreis einwirkt. Der erfindungsgemäße Schaltmesskreis steht in Verbindung mit einer Umschalteeinheit, insbesondere einem Mikroprozessor, in welchem eine Programmierung vorgesehen ist, die in einem vordefinierten zeitlichen Abstand eine Einspeisung von zwei verschiedenen vordefinierten Strömen in den Stromkreis erlaubt. An Stelle des Mikroprozessors könnte auch ein anderweitig erzeugtes Signal die Umschaltung des in den Stromkreis eingespeisten Stromes bewirken. Ferner ist eine mit dem Schaltmesskreis in Verbindung stehende Messeinrichtung zur Messung einer im Schaltmesskreis bei einem den Schaltmesskreis durchfließenden Strom abfallenden Spannung V_Mess vorgesehen. Darüber hinaus ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die eine gemeinsame Auswertung der zwei Messungen in der voranstehend beschriebenen Art ermöglicht.

Vorzugsweise liegt dabei der zeitliche Abstand im Millisekunden bis Sekundenbereich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltmesskreises liegen die zwei verschiedenen vordefinierten Ströme in einem Intervall von 10&mgr;A bis 500&mgr;A.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltmesskreises bilden die zwei verschiedenen vordefinierten Ströme eine Differenz in einem Intervall von ca. 50&mgr;A bis ca. 150&mgr;A bilden.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen

1 schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltmesskreises;

2 Auftragung von in eine Ausführungsform des Schaltmesskreis eingespeisten Strömen über der Zeit (2a) und Auftragung der dabei gemessenen in der Ausführungsform des Schaltmesskreises abfallenden Spannungen über der Zeit (2b).

In 1 ist in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltmesskreises 1 gezeigt. Der Schaltmesskreis 1 umfasst eine Stromquelle 2, mit deren Hilfe ein Strom I in den Schaltmesskreis 1 eingespeist wird, einen unbekannten zu bestimmenden Widerstand RX und eine Spannungsquelle 3 für eine Störspannung V_Stoer. Der Schaltmesskreis 1 ist an einem Punkt E geerdet. Es ist nicht zwingend notwendig, dass dieser Punkt E geerdet ist. Er kann auch auf einem anderen Potenzial liegen. Es könnte sich z. B. um einen Sensor handeln, der anwendungsbedingt an einer Stromzuführung angeschlossen ist. In diesem Fall würde der Punkt E auf einer höheren Spannung liegen. Als Störspannungsquelle 3 wäre dann der Spannungsabfall auf der Stromzuführungsleitung anzusehen. Für die Realisierung dieses hier erwähnten Beispiels müsste der Mikroprozessor einen negativen Strom in den Schaltmesskreis einspeisen, um die Messung des Widerstandes durchführen zu können. Ferner ist ein Messpunkt V vorgesehen, an welchem eine nach Einspeisung des Stromes I am Schaltmesskreis abfallende Spannung V_Mess gemessen wird. Bei Durchführung des Verfahrens wird in einer ersten Sekunde zunächst ein Strom I1 = 70&mgr;A eingespeist, dabei wird dann am Messpunkt V eine Spannung V_Mess = 1,1853V gemessen. Danach wird in einem zeitlichen Abstand von einer Sekunde, also in der zweiten Sekunde ein Strom I2 = 150&mgr;A eingespeist. Dabei wird dann am Messpunkt V eine abfallende Spannung V_Mess2 = 2,179V gemessen. Aufgrund einer der Kirchhoff'schen Regeln, gemäß welcher aufgrund der Energieerhaltung die Summe der in einem derartigen Schaltmesskreis auftretenden Spannungen gleich null sein muss, folgt: I1RX = V_Mess1 – V_Stoer(I) I2RX = V_Mess2 – V_Stoer(II)

Bildet man nun die Differenz aus (I) und (II), so ergibt sich RX(I1 – I2) = (V_Mess1 – V_Mess2)(I) und damit RX = (V_Mess1 – V_Mess2)/(I1 – I2)(II)

Die Störspannung V_Stoer, die bei beiden Messungen konstant bleibt, hat keinen Einfluss auf den Wert des zu bestimmenden Widerstandes RX; sie wird in der Berechnung unter Anwendung der Kirchhoff'schen Regel eliminiert. Durch Einsetzen der entsprechenden bekannten eingespeisten Stromwerte I1 und I2 und der dabei entsprechenden gemessenen Spannungen V_Mess1 und V_Mess2 ergibt sich somit ein Widerstand RX = 123450hm.

2 zeigt die entsprechenden Auftragungen der eingespeisten Ströme I1 und I2 über der Zeit (2a) und die damit einhergehenden gemessenen Spannungen V_Mess1 und V_Mess2 über der Zeit (2b).


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes in einem Stromkreis, wobei in dem Stromkreis gleichzeitig eine unbekannte feste Störspannung vorhanden ist oder ein unbekannter fester Störstrom in den Stromkreis einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem zeitlichen Abstand nacheinander zwei sich durch eine unterschiedliche Vorgabe eines messrelevanten Parameters voneinander unterscheidende Messungen des gesamten im Stromkreis vorhandenen elektrischen Widerstandes durchgeführt und unter Anwendung geltender physikalischer Regeln die zwei Messungen derart gemeinsam ausgewertet werden, dass bei der Auswertung die Störspannung bzw. der Störstrom eliminiert und der unbekannte zu messende elektrische Widerstand bestimmt werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der gemeinsamen Auswertung der zwei Messungen die Kirchhoff'schen Regeln angewendet werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Messungen unter unterschiedlicher Vorgabe eines in den Stromkreis einzuspeisenden Stromes durchgeführt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem zeitlichen Abstand nacheinander erfolgende Einspeisung von zwei verschiedenen Strömen zur Durchführung der zwei Messungen durch eine entsprechende Programmierung eines vorgesehenen Mikroprozessors realisiert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Messungen unter unterschiedlicher Vorgabe einer an den Stromkreis anzulegenden Spannung durchgeführt werden.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Auswertung der zwei Messungen durch eine Quotientenbildung aus der Differenz der zwei bei den zwei Messungen in dem Stromkreis jeweilig abfallenden Spannungen und der Differenz der zwei den Stromkreis bei den zwei Messungen jeweilig durchfließenden Ströme durchgeführt und dadurch der unbekannte elektrische Widerstand bestimmt wird.
  7. Schaltmesskreis zur Messung eines unbekannten elektrischen Widerstandes, wobei in dem Schaltmesskreis neben dem unbekannten elektrischen Widerstand gleichzeitig eine unbekannte feste Störspannung vorhanden ist oder ein unbekannter fester Störstrom in den Schaltmesskreis einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltmesskreis mit einer Umschalteeinheit, insbesondere einem Mikroprozessor, in welchem eine Programmierung vorgesehen ist, die in einem vordefinierten zeitlichen Abstand eine Einspeisung von zwei verschiedenen vordefinierten Strömen in den Schaltmesskreis erlaubt, einer Messeinrichtung zur Messung einer im Schaltmesskreis abfallenden Spannung und einer Auswerteeinheit zur Auswertung gemessener Spannungen in Verbindung mit entsprechend eingespeisten Strömen und einer daraus resultierenden Bestimmung des unbekannten elektrischen Widerstandes in Verbindung steht.
  8. Schaltmesskreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand im Millisekunden- bis Sekundenbereich liegt.
  9. Schaltmesskreis nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei verschiedenen vordefinierten Ströme in einem Intervall von 10&mgr;A bis 500&mgr;A liegen.
  10. Schaltmesskreis nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei verschiedenen vordefinierten Ströme eine Differenz in einem Intervall von ca.50&mgr;A bis ca.150&mgr;A bilden.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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