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Schaltungsanordnung für clcktromechanische Me#wertaufnehmer init t
Dchnungsme#streifen Dic Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eletrtromechanische
Me#wertaufnehmer, bostoh?jnd aus in einer Me#-brücke angeordneten elektrischen Widerstandsdehnungsme#streifen
it Korrekturgliedern zum Abgleich und zur Temperaturkompensation des Nullpunktes
sowie aus Widerständen zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit
und zur Kalibricrung.
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Bei ehal tungs anordnungen für e lektrome eh ani scho He ßwertaufnchmer
mit Dehnungsme#streifen sind im allgemeinen Verkehrungen getroffen, um den Temperaturgang
ihrer Empfindlichkeit zu kompensieren. Üblicherweise liegen hierzu Scrlenwiderstände
mit positivem Temperaturkoeffizienten zusammen mit den üblichen Kalibrierwiderständen
im Speisekreis der Anordnung. Diese Temperaturkompensationswiderstände sind nicht
nur auf die weitgehend einheitlichen Brückenwiderstände sowie die Temperaturgänge
von E-Modul und k-Pa!ctor abzustimmen, sondern müssen sich auch nach den individuell
verschiedenen Kalibrierwiderständen und den äu#eren Widerständen im Speisekreis
richten. Vielfach nimmt man fUr die Bemessung der Temperaturkompensationswiderstände
einen Hitteiwert der Kalibrierwiderstände an und einen rostlichten Temperaturgang
der Empfindlichkeit in Kauf, um den Aufwand fUr individuell angepa#te Temperaturkompensationswiderstände
zu sparen. Ferner wird meist dio Temperaturkompensation der Empfindlichkeit entweder
nur für eingeprägte Speisespannung oder nur für eingeprägten Speisestrom ausgelegt.
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Bekannt sind auch Anordnungen, bei denen der positive Temperaturgang
des Eingangswiderstandes in den vorstchend
genannten Schaltungen
für eingeprägte Speisespannung, der hauptsächlich durch die Temperaturkompensationswiderstände
bewirkt wird, durch einen entsprechend bemessenen Shunt mit speziell angepaßtem
negativen Temperaturgang kompensport wird, und in denen somit der Temperaturgang
der Empfindlichkeit sowohl fUr eineprägte Speisespannung als auch rUr eingeprägten
Speisestrom und fUr Speisekreise mit bolicbigem Quellwiderstand kompensiert ist.
Der Shunt mit detn passenden negativen Temperaturgang ist jedoch sehr aufwendig.
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Die Erfindung bezweckt, eine einfache Schaltungsanordnung anzugeben,
die es erlaubt, serienmä#ig einheitliche Temperaturkompensationswiderstände Du verwenden,
ohiie daß die dadurch bewirkte Kompensation des Temperaturganges der Empfindlichkeit
durch Unterschiede der individuell errorderlichen Kalibrierwiderstände becinträchtigt
wird. Dies wird dadurch errcicht, daß erfindungsgemä# die Widerstände zur Kompensation
der Temperaturabhängigkeit dor Empfindlichkeit zumindest zun wesentlichen Teil gotrennt
von den Widerständen zur individuellen Kalibrierung, die einen am Eingang, die anderen
am Ausgang der Me#brücke, angeordnet sind.
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Eine zweekmä#ige Ausbildung der Erfindung besteht z. B. in einer Schaltungsanordnung
mit serienmä#ig einheltlichen Temperaturkompensationswiderständen am Brückeneingang
und zwei Eingangsklemmenpaaren, von denen mit RUcksieht auf die Temperaturkompensation
der Empfindlichkeit entweder das eine bei eingeprägter Speisespannung (schr kleinem
Quellwiderstand) oder das andere bei eingeprägtem Speisestrom (sehr hohem effektivem
Quellwiderstand) angeschlossen wird.
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Gemä# einem anderen Errindungsgedanken ist dem Ausgang der Me#brücke
ein Verbraucher mit konstantem Eingangswiderstand, beispielsweise ein Verstärker,
fest zugeordnet und sind die Widerstände zur Kompensation der Temperaturabhüngigkeit
der
Empfindlichkeit zwischen dem Mo#brückonausgang und dem Eingang des Verbrauchers
angeordnet, dessen Eingangswiderstand sie berücksichtigen. Äu#ere Widerstände, d.
h. solche, die vor dem Eingang der Anordnung oder hinter dem Verbraucher- (Verstärker-)
Ausgang auftreten, sind hierbei ebensowenig von Einfluß auf die Temperaturkompensation
der Empfindlichkeit der Anordnung wie die Ma#nahmen zur Kalibrierung, die gemä#
dem Grundgedanken der Erfindung in dicscm Falle vor dem Me#brückeneingang durchgeführt
wird.
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In zweekmä#iger Weise ist ein Verbraucher, der das Me#-signal verstärkt
oder es direkt anzeigt, mit dem Me#wertaufnehmer zu einer räumlichen Einheit verbunden.
Verwendet rtian einen Operationsverstärker mit effektivem Eingangs. widerstaiid
Null, kann man herkbni. nlichc Me#elemente, deren Temperaturkompensationswiderstand
fUr eingeprägte Speise. spannung, also fUr einen Quellwiderstand Null des Speisokrciscs,
ausgelegt ist, verwenden, indem man Eingang und Ausgang der Me#elemente vertauscht.
Gleichzeitig ergibt sich eine verbesserte Linearität bei solchen Me#wertaufnehmern,
die aus mechanischen GrUnden einen systematischen Linearitätsfehler besitzen und
ihrcn Me#brückenwiderstand bei Belastung entsprechend ändern. DarUberhinaus hat
die feste Zuordnung eines Verstärkers, abgesehen vom verstärkten und gegen Stdrungen
unempfindlichen Ausgangssignal, den Vorteil, daß man die Kalibrierung sowie den
Abgleich und dio Temperaturkompensation des Nullpunktes rUr Me#-brUcko und Verstärker
gemeinsam vornehmen kann. Dcr durch diese, für die beiden Teile sonst getrennt durchzufUhrenden,
Maßnahmen bedingte Aufwand kann damit erheblich verringert werden. Weiterhin ergibt
sich mit der festen Zuordnung eines Verbrauchers die Möglichkeit, die Stabilisierung
für die Me#brückenspeisung und den Verstärkersbertrieb in die Schaltungsanordnung
fest einzubeziehen und damit auch diese bei der Temperaturkompensation und der Kalibrierung
mit zu berücksichtigen. Die feste Zuordnung eines Verstärkers oder auch einer bestimmten
Verstärkertype ermöglicht es außerdem,
zustzlich individuelle Linearitätskorrekturen
vorzunehmen.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung bestehen daher
darin, daß die Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit durch
serienmä#ig einheitliche Widerstände, die Kalibrierung hingegen durch individuell
bemessene Widerstände erfolgt, daB die am Eingang der Meßbrücke angeordneten Widerstände
zum Kalibrieren sowie Serien- bzw. Parallelwiderstände zu einzelnen Brflckenzweigen
zum Abgleich und zur Temperaturkompensation des Nullpunktes sowohl des Aufnehmers
als auch des Verbrauchers und somit der gesamten Meßanordnung herangezogen werden
und daß bei Verwendung eines verstärkers als Verbraucher der Stabilisierung der
MeßbrUckenspeisung und des Verstä'rkerbetriebes in an sich bekannter Weise dienende
Schaltelemente in die.
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Schaltungsanordnung fest einbezogen sind.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der in
den schematischen Zeichnungen dargestellten AusfUhrungsbeispiele näher erläutert.
Gleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Figur 1 sind vier Widerstandsdehnungsmeßstreifen 1 bis 4 in bekannter
Weise zu einer MeßbrUcko geschaltet. In zwei BrUckenzweigen sind beispielsweise
Widerstände ftlr den Abgleich 4' und fUr die Temperaturkompensation 2' des Nullpunktes
eingezeichnet. Diese Widerstände sind normalerweise sehr klein, können jo nach Bedarf
in anderen Brückcnzweigen liegen und werden in den folgenden Abbildungen der Ubersichtlichlceit
wegen weggelassen.
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In den Speiseleitungen 5, 6 der Me#brücke liegen Serienwiderstände
7, 8 mit positivem Temperaturkoeffizienten.
ilit Rücksieht auf Symmetrieforderungen
verschiedener Anwendungsfälle sind sie in bekannter Weise meist gleien gro#.
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In einer Parallelschaltung zu den Eingangsklemmen der Me#-Brücke liegt
ein Widerstand 9, der bei Auslegung für eingeprägte Speisespannung lediglich den
Eingangswiderstand normiert, bei der Auslegung für eingeprägten Speisestrom nuCerdem
und insbesondere die Temperaturkompensationswiderstände wirksam macht. Ein Kalibrierwiderstand
10 ist zu den Ausgangsklemmen der Me#brücke parallelgeschaltet. Bei dieser Anordnung
bleibt die zur individuellen ICallbricruns crforderliche Bemessung des Widerstandes
10 chne Einfluß auf den Temperaturgang der Empfindlichkeit. Die Widerstände 7, 8,
9 kannen somit zweeks Kompensation des Temperaturgangs der Empfindlichkeit serienmä#ig
einheitlich bemessen werden.
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Auch in dem Ausführungsbeispiel gemä# Figur 2 ist die Kompensation
der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit durch die Widerstände 7', 7", 8',
8" unabhängig von der Kalibrierung durch die Widerstände 10, 12 und 13. Bei Betrieb
mit eingeprägtem Speisestrom wird Uber die Klennien A und B eingespeist, bei Betrieb
mit eingeprägter Speisespannung hingegen Uber die Klemmen C und D. FUr den letztgenannten
Fall bewirken lediglich die Widerstände 7", 8" die Temperaturkompenstation der Empfindlichkeit
in gleicher Weise wie die Wlderstand 7 und 8 in Figur 1. Die Reihenschaltung aus
don Widerständen 7', 9 und 8' hat den gleichen Temperaturkoeffizienten wie die Reihenschaltung
7", 8" und Brückenwiderstand. Aus Symmetriegründen ist es zweekmä#ig, 7" gleich
8" sowie 7' gleich 8' zu machen.
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Lä#t man bei dieser Anordnung einen vernachlässigbar kleinen Temperaturgang
der Empfindlichkeit von z. B. ~ 0,06 ç pro 50°C zu, so kennen Spannungsquellen mit
Quell- und Uußeren Vorwiderständen von insgesamt weniger als 6 % des Widerstandes
der Schaltungsanordnung zwischen den Klemmcn C und D bei C und D und solche von
effektiv mindestens 16-fachem Widerstand der Schaltungsanordnung zwischen A und
B bei A und B angeschlossen werden.
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Sind in besonderen anwendungsfällen Quell- und äußere Vorwiderstände
so bemessen, daß wesentliehe Abweichungen von den Ublichen Grenzfällen: eingeprägte
Spannung bzw. eingeprjgter Strom vorliegen, werden zwischen A und C sowie B und
D Shunts angeschlossen, deren Grö#e von der Summe der äu#eren Widerstände des Spelselcreiscs
abhängt und zweckmä#ig in einer Tabelle oder in einem Diagramm festgelegt ist.
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Bei den vorstehend genannten Anschlu#möglichkeiten darf der Verbraucher
an den Klemmen E und Pl einen beliebigen (temperaturunabhängigen) Eingangswiderstand
haben, ohne die Tcmperaturkompensation der Empfindlichkeit zu beeinträchtigen. Die
Temperaturkompensation der Empfindlichkeit wirkt in der Anordnung nach Figur 2 im
übrigen auch dann einwandre@, wenn bei sehr großem oder sehr klcinem Verbraucherwiderstand
der Speisekreis an E und F und entweder ein Verbraucher mit effektivem Eingangswiderstand
nahe @ull an C und D oder ein Verbraucher mit (nahezu) unendlichem Eingangswiderstand
an A und 13 angeschlossen werden. Bei dieser Anschlu#möglichkeit dUrfen Quelle und
äu#ere Vorwiderstände des Speisekreises beliebig sein, ohne daß die oben erwähnten
Shunts zwischen A und C sowie B und D erforderlich sind.
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Die Schaltung gemä# Figur 2 kann so bemessen werden, daß die Beziehungen
zwischen unbelasteter Me#spannung bzw. kurzgeschlossenem Meßstrom und Speisespannung
sowie -strom auf einheitliche glatte Werte kalibriert sind.
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Figur 3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit fest zugeordnetem Verstärker.
Hier sind in vorteilhafter Weise die individuellen Kalibrierwiderstände 10, 12,
13 an den Me#brückeneingang und die Widerstände 7, 8 zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit an den Me#brückenausgang verlegt.
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Letztere sind zwischen dem Me#brückenausgang und dem Eingang eines
fest zugeordneten Verstärkers 14 angeordnet. Die Kompensation der Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit bcrücksichtigt auf diese Weise zugleich auch den Eingangswiderstand
RL
des Verstärkers. In Beispiel ist ein Operations-oder Rechenverstärker mit dem effektiven
Eingangswiderstand RL = 0 vorgesehen. Hicr sind die Widerstände 7 und 8 so bemessen
wie in der Schaltung nach Figur 1 bzw. wie und 8"in Figur 2 und einander gleich.
Sie sind serienmä#ig einheitlich, da auch hier die individuellen Kalibrierwiderstunde
10, 12 und 13, die fUr die gesamte Me#anordnung aus Aufnehmer und Verstärker das
Verhältnis zwischen Speisespannung bzw. Speisestrom und Me#spannung am Verstärkerausgang
bei Nennwert der Me#grö#e festlegen, keinen Einfluß auf die Teriperaturkonipensation
der Empfindlichl. cit haben.
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Auch wcnn mit den Widerständen 15 und 16 kalibriert wird, wird die
Temperaturkompensation der Empfindlichkeit nicht beeinfluß.
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Zum Abgleich und zur Temperaturkompensation des Nullpunktes der gesamten
Me#anordnung werden erforderlichenfalls in geeignete Brückenzweige kleine konstante
bzw. temperaturabhängige Widerstände eingefügt, wie sie beispielsweise in Figur
1 durch 4' und 2'dargestellt sind.
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In Figur 4 ist die Schaltungsanordnung nach Figur 3 durch eine Tariervorrichtung
aus den Widerständen 17, 18 und 19 ergänzt. Dicse ermöglicht dem Messenden in üblicher
Weise das als Spannung an den Klemmen G und H vorliegende Me#ergebnis um einen Anfangswert,
der sich aus der Jeweiligen Me#aufgabe ergibt, zu verringern oder zu vergrößern.
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Abweichend von den bei Gleichstromme#brücken gebräuchlichen Tarierverfahren,
die variable Shunts zu einzelnen Brückenzweigen verwenden, wird hier der bereits
verstärkten McX-spannung zwischen G und H eine Tarierspannung überlagert, die über
Spannungs teiler direkt der Brückenspeisespannung entnommen wird und dieser proportional
ist. Dieses Verfahren ist insbesondere auch bei Ferntarierung - weitgehend unempfindlich
gegenüber eingestreuten Störspannungen.
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In den Anordnungen nach Figur 3 und Figur 4 hängt der Verstärkungsgrad
von
14 vornchmlich vorn Rückkopplungswiderstand 15 und den Wioderständen 2, 4 und 7
ab. Die Widerstande 2 und 4 andern sich bekanntlich geringfügig unter dem Einflu#
der Me#grö#en, wobei in der Regel einer von ihnen grö#er, der andere kleiner wird.
Macht man die Widerstände 12 und 13, gegebenenfalls auch die Teile von Widerstand
10, verschieden groß, verteilt sich auch der RUckkopplungsstrom ungleich auf die
Brückenzweige 2 und 4. Auf diese Weise kann der Verstrkungsgrad in geringem, aber
exalct einstellbarem Maß von der Meßgröße abhtngig gemacht und damit ein etwaiger
Linearitätsfehler des Aufnehmers korligiert oder verringert werden.
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Zur Linearitätskorrektur kann auch der Widerstand 15 eine spannungsabhängige
Komponente erhalten.
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Eine weitere Möglichkeit, einen etwaigen Linearitdtsfehler des Aufnehmers
zu korrigieren, besteht darin, daß man den Ausgangsstrom bzw. den Betricbsstrom
von Verstärker 14 über Widerstände im Speisekreis der Meßbrücke z. B. 12 und/oder
13 oder über Teile derselben fließen läßt und damit die Speisespannung an der Meßbrücke
in definiertem Maße mit der Meßgröße variiert.