-
Schaltung zur Anzeige der Verstimmung einer Wechselstrom-Meßbrücke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Anzeige der Verstimmung einer
Wechselstrom-Meßbrücke mit einem oder vorzugsweise zwei veränderbaren, in einem
bzw. zwei benachbarten Brückenzweigen liegenden Schaltelementen, von denen entweder
das eine oder im Gegentakt beide in Abhängigkeit von einer Meßgröße veränderbar
sind, die ilhrelrseits quasistatischen oder dynamischen Änderungen bis zu Frequenzen
von mindestens 10 kHz unterworfen ist.
-
Solche Schaltungen werden heute allgemein in der Industrie, insbesondere
im Maschinenbau und auch im Hochbau, verwendet, um an fertiggestellten Objekten
die auftretenden Spannungsheanspruchungen an Hand entsprechender Formveränderungen
oder um Schwingungen von laufenden Maschinen auf dem Prüfstand oder beispielsweise
in Flugzeugen zu messen.
-
Als Fühler oder Geber für diese Messungen werden vorzugsweise Gegenkontaktinduktivitäten
verwendet, von welchen je eine Teilinduktivität in einem Zweig einer Wechselstrombrücke
liegt. Es kann aber auch nur eine dieser Induktivitäten durch die zu messende Größe
verändert werden, während die andere Induktivität konstanten Wert hat. Die andere
Hälfte der Meßbrücke wird nach Betrag und Phase abgeglichen, so daß eine abgestimmte
Nullage erreicht wird.
-
In den bekannten Anzeigegeräten dieser Art wird der durch die gegenseitige
Verstimmung der beiden Induktivitäten hervorgerufene Brückendiagonalwert d. h.,
die Ausgangswechselspannung, einem Trägerfrequenzverstärker zugeführt, welcher an
seinem Ausgang eine phasengesteuerte Spannungs- oder Stromdemodulation aufweist.
All diese mit Trägerfrequenzverstärkern ausgerüsteten verschiedenen Schaltungen
bieten die große Schwierigkeit, daß die zur phasengesteuerten Demodulation nötige
Trägervergleichsspannung vektoriell genau um 1800 gegenüber der verstärkten Brückendiagonaispannung
verschoben sein muß. Da es nun keine Wechselstrom-Meßbrückenanordnung gibt, die
bei relativ größeren Verstimmungen nur eine Betrags- und keine Phasenverstimmung
erzeugt, so wird die Linearität sowie die Empfindlichkeit dieser ganzen Meßanordnung
stark durch die verschiedene Phasenlage am Demodulator beeinträchtigt.
-
Bei den obenerwähnten Messungen von Schwingungen, wo also die Induktivitätsänderungen
sehr rasch verlaufen und demzufolge die Brückenausgangsspannung eine gemäß der gemessenen
Schwingungsfrequenz amplitudenmodulierte Trägerspannung ist, treten in der Brücke
und auch in den Trägerverstärkern und erforderlichen Filtern infolge des starken
Oberwel lengehaltes erhebliche, stark frequenzabhängige Piasenverschiehungen auf,
die sich bei der erwähnten phasengesteuerten Demodulation auswirken. Es tritt
daher
zu der obenerwähnten statischen Nichtlinearität bei großen Verstimmungen auch eine
Frequenz-Nichtlinearität, welche es bei den bekannten Anzeigegeräten unmöglich macht,
für einen genügend großen Bereich von Meßfrequenzen quantitativ genügend genaue
Anzeigen zu erhalten.
-
Diese erheblichen Nachteile bekannter Geräte können nun dadurch behoben
werden, daß erfindungsgemäß gleichphasig geschaltete Gleichrichter in den den veränderbaren
Schaltelementen anliegenden Brückenzweigen vorhanden sind. Dadurch wird in beiden
Brückenmaschen eine Gleichrichtung derart vorgenommen, daß eine der Brückenverstimmung
in Betrag und Richtung entsprechende Spannung auftritt, die zur Anzeige gebracht
werden kann. Dadurch wird eine vom Phasengang der Brücke, Verstärker und Filter
unheeinflußte Anzeige erzielt, was bei den beschriebenen bekannte, diesem Zweck
dienenden Geräten nicht möglich ist.
-
Es ist allerdings hereits bekannt, bei Doppelbrücken mit zwei gemeinsamen
Brückenzweilgen, von welchen der eine oder beide in Abhängigkeit von einer Meßgröße
veränderbare Schaltelemente enthalten. in die beiden nicht gemeinsamen Brückenarme
Gleichrichter zu schalten, um hei Wechselstrombetrieb abwechselnd im einen oder
anderen Brückenarm Stromfluß zu erzielen. Da jedoch diese Schaltung lediglich dem
soeben erwähnten Zweck dient, den Stromfluß in einem Stromkreis nur für jede zweite
Halhwelle des Betriebswechselstromes zu gestatten, kann diese bekannte Schaltung
keineswegs die Idee nahelegen, eine derartige Schaltungsanordnung auch bei Wechselstrom-Meßbrücken
dazu zu verwenden, die Phaseneinflüsse in der Brücke auszuschalten, weil bei der
bekannten Schaltung stets nur mit ohmschen Schaltelementen
und mit
verhältnismäßig niedrigen Betriebsfrequenzen, vorzugsweise Netzfrequenz, gearbeitet
wird, unter welchen Bedingungen merkliche Phasenverschiebungen in der Meßbrücke
gar nicht auftreten können.
-
Es ist auch bereits bekanntgeworden, z. B. zum Vergleich der Kapazität
von D rebkonden satorpaketen die beiden Pakete in die beiden Zweige eines Brückenarmes
zu schalten und in Serie zu den Paketen in den beiden Brückenzweigen Gleichrichter
anzuordnen, die jedoch gegenphasig geschaltet sind. Bei den Gleichrichtern ist je
ein niederohmiger Belastungswiderstand parallel geschaltet, und ein Meßinstrument
zeigt die Differenz der an den Belastungswiderständen auftretenden gleichgerichteten
Spannungen an. Da es sich also bei dieser bekannten Meßanordnung lediglich darum
handelt, durch eine statische Messung rein qualitativ festzustellen, ob die beiden
Kondensaturpakete gleiche Kapazität aufweisen oder nicht, spielt es keine Rolle,
ob die Anzeige eventuell durch eine gewisse Phasenverschiebung in den Brüdenmaschen
beeinflußt wird. Diese Schaltung kann daher auch nicht den Gedanken nahelegen, die
bekannten Phasenschwierigkeiten bei Wechselstrom-Meßbrücken zur Messung dvnamischer
Größen bis zu Frequenzen von 10 kllz und mehr aus dem Wege zu schaffen.
-
Die Schaltung gemäß der Erfindung wird aber durch die zuletzt genannte
bekannte Meßanordnung auch deshalb keinesfalls nahegelegt, weil bei der bekannten
Schaltung nicht der eigentliche Diagonalstrom der Brücke gemessen wird, d. h., das
Meßinstrument ist nicht in den Ausgangskreis der Brücke geschaltet. Eine solche
Anordnung wäre bei der bekannten Schaltung auch gar nicht möglich, weil die beiden
Gleichrichter, wie erwähnt, gegenphasig geschaltet sind, in welchem Fall in der
Brückendiagonale nicht mehr die Differenz zwischen den beiden Maschenströmen, sondern
die Summe derselben fliefen würde. Eine solche Meßanordnung wäre aber unbrauchbar.
Demgegenüber sind die Gleichrichter bei der Schaltung gemäß der Erfindung gleichphasig
angeordnet und ermöglichen in dieser Weise eine Gleichrichtung in der Brücke in
der Weise, daß in der Brüclçendiagonale eine demodulierte Ausgangs;spannung auftritt,
die nach Betrag und Richtung der Briickenverstimmung entspricht. Durch die bekannten
Schaltungen wurden also weder die Zielsetzung noch die Lösung gemäß vorliegender
Erfindung bekannt oder nahegelegt, so daß der Erfindungsgegenstand auf dem engeren
Gebiet der Meßtechnik, welchem er angehört, einen erheblichen Fortschritt gebracht
hat.
-
Es sind auch Doppelweg-Gleichrichterschaltungen in Form einer Brücke
mit zwei Gleichrichtern bekannt, die jedoch dem Zweck gemäß so geschaltet sind,
daß in der Brückenausgangsdiagonale die Summe der Gleichrichterströme fließt. Diese
Schaltungen sind daher an sich nicht als WIeßbrücke brauchbar, selbst wenn sie ein
veränderbares Schaltelement enthalten würden. Die Schaltung gemäß d'er Erfindung
kann daher auch durch diese bekannten Schaltungen nicht nahegelegt werden.
-
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Schaltung
gemäß der Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. 1 ein Schaltbild des prinzipiellen
Aufbaus der Schaltung, Fig. 2 eine einfache praktische Ausführungsform der Schaltung
mit direkter Anzeige in der Meßbrücke, Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante der
Schaltung mit Anzeige in einem an die Brücke transformatorisch angekoppelten IÇreis,
Fig.
4 eine Ausführungsform der Schaltung mit Verstärkungsanordnung für die Brückenausgangsspannung
und Anzeige auf einem Kathodenstrahloszillograph, und Fig. 5 zeigt eine Schaltung,
bei welcher die Sender-Basis-Diodenstrecke eines Transistors zur Gleichrichtung
verwendet wird.
-
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung weist eine Mcßbrücke auf, bestehend
aus den beiden Induktivitäten 1 und 2 und den beiden elektrischen Sperrelementen
3 und 4, welche als Dioden, Kristall dioden oder Selengleichrichter ausgebildet
sein können. Die Brücke wird am Eingang 5, 6 durch einen nicht dargestellten Oszillator
mit einer Wechselspannung gespeist, die beispielsweise eine Frequenz von 10 000
Hz aufweist.
-
In den Brückenausgang 7, 8 ist eine Meßanordnung, bestehend aus einem
Gleichstrommeßinstrument 9, vorzugsweise ein Drehspulinstrument mit Nullpunktanzeige
und einem dieses überbrückenden Kondensator 10, geschaltet. Die beiden Induktionsspulen
1 und 2 werden von einem Abstimmkern 11 aus einem ferromagnetischen Material oder
aus einem gut leitenden Material durchsetzt, welcher in den beiden Spulen 1 und
2 in Richtung des Pfeiles verschiebbar ist und in nicht dargestellter Art mit dem
Gegenstand verbunden ist, an welchem die Messung vorzunehmen ist. Bei Veränderung
der Meßgröße wird der Kern 11 um einen entsprechenden Betrag verschoben und verursacht
damit eine Induktionszunabme in der einen und eine entsprechende Induktionsahnahme
in der anderen Induktivität 1 bzw. 2. Damit wird die Brücke aus dein Gleichgewicht
gebracht, und es fließt bei jeder zweiten Halbperiude ein Gleichstromimpuls vom
Brückenpunkt 7 über das Instrument 9. den Brückenpunkt 8 und die Sperrzelle 4 nach
dem Brückenpunkt 6 oder vom Brückenpunkt 5 über Gleichrichter 3, Punkt 8, in umgekehrter
Richtung durch das Instrument 9 nach dem Brückenpunkt 7, je nachdem der Spannungsabfall
an der Induktivität 1 oder an der Induktivität 2 größer ist. Das Instrument 9 vermittelt
also stets eine nach Betrag und Richtung der Brückenverstimmung entsprechende Anzeige.
In Fig. 1 wird angenommen, daß die Brücke ohne spezielle Abstimmittel im Gleichgewicht
ist. Praktisch ist dies nicht möglich, und die an die Induktivitäten anliegenden
Brückenzweige müssen daher einstellbar ausgebildet sein.
-
Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit einer derart abstimmbaren Brücke.
Der Brückenpunkt 8 ist an den Schleifkontakt eines Potentiometers 12 angeschlossen.
-
Zu den Sperrzellen 3 und 4 sind Widerstände 13 in Serie geschaltet,
welche mit Vorteil größer gewählt werden als der Widerstand des Potentiometers 12,
so daß eine sehr empfindliche Nullstellung am Potentiometer 12 erfolgen kann. Die
übrigen Teile der in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind gleich bezeichnet wie die entsprechenden
Teile in Fig. 1. Natürlich können außer dem Potentiometer 12 weitere Schaltelemente
vorgesehen werden, um einen absoluten Abgleich zu erzielen.
-
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltung, bei welcher
die mit Sperrzellen versehenen Brückenzweige transformatorisch an die Brücke angekoppelt
sind. Die Brücke weist auch die durch einen Kern 11 im Gegentakt veränderbaren Induktivitäten
t und 2 zwischen dem Brückeneingang 5, 6 auf. Die übrigen Brückenzweige sind durch
Primärspulen 14 bzw. 15 von Ubertragern 16 bzw. 17 gebildet, und der Brückenausgang
7, 8 ist durch eine Bürde 18 abgeschlossen. Die Übertrager weisen an einer gemeinsamen,
in
Pfeilrichtung verschiebbaren, nicht magnetisierbaren Stange 19 befestigte Abstimmeisenkerne
20 bzw. 21 auf. Die Sekundärspulen 22 bzw. 23 der tlertrager 16 bzw. 17 bilden mit
den Sperrzellen 3 und 4. den Widerständen 13 und dem Potentiometer 12 eine Brücke.
in deren Ausgang das vom Kondensator 10 überbrückte Meßinstrument 9 geschaltet ist.
-
Mit den Ühertragern 16 und 17, welche gleichartig hemessen sind.
kann eine Impedanz- und Spannungstransformation gewünschter Größe vorgenommen werden.
Es kann z. B. vorteilhaft sein. zur Erhöhung der Anzeigeempfindlichkeit die Spannung
hinaufzusetzen. Gleichzeitig kann durch Verschieben des Stabes 19 der phasenmäßige
Nullabgleich erreicht werden. Es ist auch möglich, dieses Instrument als Kompensationsinstrument
für statische Messungen zu verwenden, indem die Eisenkerne 20 und 21 während der
Alessung so lange verschoben werden. bis das Instrumcnt 9 wieder Null anzeigt. wobei
dann die Verschieliung dieser Kerne ein NIaß für die gemessene Größe ist. Diese
Abstimmung mittels Eisenkernen hat gegenüber der Abstimmung mittels Potentiometer
den Vorteil. daß sie absolut stetig erfolgen kann.
-
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung, worin
eine Brücke gemäß Fig. 2 gezeigt ist. die durch einen Oszillator 24 gespeist wird.
Der Schleifkontakt 8 des Potentiometers 12 ist über einen Arbeitswiderstalld 25
und einen Ladekondensator 26 an den geerdeten Brückenpunkt 7 angeschlossen. Die
am Punkt 8 gegen Erde auftretende Spannung wird über einen Widerstand 27 einem Gegentakt-Gleichsparlnungsverstärker
28 zugeführt. Die verstärkten Anzeigespannullgen werden über Tiefpaßfilter 29 an
die Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre 30 gelegt. Diese Anzeigevorrichtung
erlaubt die Anzeige von quasi statischen und dynamihschen Vorgängen. An Stelle der
Kathodenstrahlröhre könnte ein Schleifenoszillograph bekannter Bauart angeschlossen
werden.
-
An Stelle des Meßinstruments 9 könnten natürlich auch bei allen übrigen
dargestellten Anzeigevorrichzungen Oszillographen angeschlossen werden, welche die
Anzeige von dynamischen Vorgängen erlauben.
-
Mit Hilfe der in Fig. 4 gezeigten Anordnung lassen sich hei entsprechender
Wahl der Frequenz des Oszillators 24 SIeßfrequenzen von z. B. O bis 10 000 Hz durchaus
linear anzeigen.
-
Mit dRer von daher Brücke gelieferten Aleßspannung läßt sich z. B.
auch eine geeignete Trägerfrequenz nach Betrag und Phase modulieren, die dann verstärkt
und einer phasengesteuerten Demodulation unterworfen werden kann.
-
Fig. 5 zeigt eine Schaltung. bei welcher die Brücke grundsätzlich
gleich aufgebaut ist wie gemäß Fig. 2, wo aber die Gleichrichtung zwischen Emitter
31 und Basis 32 von Transistoren 33 bzw. 34 stattfindet. Die Kollektoren 35 der
Transistoren 33 und 34 sind über Belastungswiderstände 36 bzw. 37 an den negativen
Pol einer Batterie 38 angeschlossen. Der positive Pol der Batterie 38 ist mit dem
Brückenpunkt 8 verbunden. welcher hier an den Schleifkontakt des Ahstimml)otentiometers
12 angeschlossen ist. Der Ausgang der Brücke ist durch einen Kondensator 39 und
einen Parallelwiderstand 40 abgeschlossen.
-
Aus der Schaltung ist leicht zu sehen. daß an den Kollektoren der
Transistoren Spannungsänderungen auftreten, die den Änderungen der zwischen dem
Emitter
und der Basis auftretenden, gleichgerichteten Spannung entsprechen. Zwischen den
mit den Kollektoren 35 verbundenen Ausgangsklemmen 41 und 42 tritt also eine verstärkte
Spannungsdifferenz auf, die der Differenz der gleichgerichteten Spannungen an den
beiden Diodenstrecken in der Brücke entspricht und daher ein direktes Maß für die
Brückenverstimmung ist.
-
An Stelle der Transistoren könnten auch Elektronenröhren, z. B. Trioden,
treten, wobei allerdings getrennte Stromkrei!se für diese Röhren vorgesehen werden
müßten, und wobei durch die Gitter-Kathoden-Diodenstrecke lediglich ein durch einen
im entsprechenden Brückenzweig liegenden Widerstand erzeugter Spannungsabfall gleichgerichtet
werden würde.