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Schatungsanordnung, welche eine @essbrücke aufweist.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum kontinuierlichen
Messen und Meiterverarbeiten der Messwerte, die eine elektrische Messbrücke mit
mindestens einem Messwiderstand, der vorzugsweise ein nichtlinearer Widerstand sein
kann, aufweist.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist as, eine vorteilbafte Schaltungsanordnung
zu schaffen, bei der die Messbrücke mit eingeprägter Strom gespeist wird.
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Ein Asrekt der Erfindung ist es auch, dass es in vielen Fällen zweckmäßig
wäre, die zu beiden Seiten der Fusqerasdiaaon2Len der Messbrücke befindlichen Brückenhälften
voneinander zu ent@epreln, um beispielsweise mittels der Messbrücke leichter oder
genauer Messungen durchführen zu kennen, ohne dass die Brückenverstimmung abgeglichen
werden muss, oder um die Brückencharakteristik leichter und besser zu beeinflussen,
da man dann die Charakterist jeder Brückenhälfte unabhangig von der anderen Brückenhälfte
durch geeignete Maßnahmen beeinflussen kann. Eine solche Entkopplung der beiden
Brückenhälften wäre besonders auch für Analogrechenschaltungen zweckmäßig, in die
die Messbrücke mit einbezogen wird. Die durch die Entkopplung der beiden Brückenhälften
erzielbare hohe Mess- und qgfs. Pechengenauigkeit wärde ferner z.B. recht genaue
zeitliche Integrationen von Messwerten erlauben, z.B. von Wärmemengen oder deraleichen,
wobei sich besonders vorteilhafte kombinierte Mess- und Integrationsschaltungen
erzielen lassen könnten.
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ErrinduncTsqemäß ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art vorgesehen, dass ein Eingang der Schaltungsanordnuna über einen Widerstand mit
einer ersten Eingang eines ersten Orerationsverstirkers verbunden ist, dass die
Eingangsdiagonale der Messbrücke in einen Cegenkopplungszweig des ersten Operationsverstarkers
zwischengeschaltet ist, der vom Ausgang dieses Operationsverstörkers zu dessen invertierendem
Eingang führt, dass eine Anschlußstelle der Ausgangsdiaqonalen der Messbrücke mit
dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers
verbunden
ist, dessen anderer Eingang auf demjenigen konstanten Potential aehalten ist, auf
welchem auch die genannte nsc'rffi" stelle der Aufgangsdiagonalen der Messbrücke
durch die Schaltungsanordnung gehalten wird, dass der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers
über einen zweiten Widerstand an cer. ersten.
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Eingang des ersten Operationsverstärkers angeschlossen ist, dass der
Ausgang des zweiten Operationsverstärkers ferner über einen dritten Widerstand an
den zweiten Eingang des ersten Operationsverstërkers angeschlossen ist, wobei dieser
Eingang über eine vierten Widerstand an das genannte konstante Potential angeschlossen
ist, dass das Verhältnis R1 : R2 = R4 : R3 ist, und dass in der Ausgangsdiagonalen
der Messhrücke vorzugsweise mittels eines mit einer Saugschaltung zusammenwirkenden
dritten Operationsverstärkers ein einem kurzschlußstrom zumindes nahezu entsprechender
Strom bewirkt wird.
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Unter dem Beoriff "eingeprägter Strom" ist verstanden, dass der die
Messbrücke speisende Strom hei konstanter Eingangsspannung der Schaltungsanordnung
ebenfalls ständig konstant ist, auch dann, wenn sich der Innenwiderstand der Messhrücke
ändert, d.h. der Widerstandswert mindestens eines ihrer Brükenzweigwiderstände sich
ändert. Indem in der Ausgangsdianonalen der
Brücke praktisch ein
Kurzschlußstrom fliesst, sind die beiden Brückenhälften entkoppelt.
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Diese Schaltungsanordnung eignet sich sowohl zur Speisung mit Gleichspannung
als auch mit Wechselspannunq. Wenn man bei Speisung der Schaltungsanordnung mit
Wechselspannung die Messbrücke mit Gleichspannung speisen will, so kann man in den
Gegenkopplungszweig des ersten Operationsverstärkers eine Gleichrichterschaltung
zwischenschalten, deren Ausgänge die Messbrücke speisen.
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Ein wichtiger Vorteil ist, dass man die Brückenverstimmung mittels
baulich einfacher, billiger, hochverstärkender und genau arbeitender Operationsverstärker
verstärken kann, da ein Ende der Ausganqsdiaqonalen der Brücke auf konstantem Potential
gehalten ist. Mittels der Schaltungsanordnung kann man auch Analogrechenoperationen
durchführen. So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfinduna vorgesehen,
dass sie der Multiplikation eines weiteren Messwertes mit der den Messwiderstand
beeinflussenden Zustandsarösse oder der Multiplikation dieses weiteren Messwertes
mit der Differenz oder Summe der die Messwiderstände beeinflussenden Zustandsgrössen
dient, indem die Eingangsspannung der Schaltungsanordnung abhängig von dem weiteren
Messwert ist. In Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass sie der
Multiplikation einer durch zwei Messwiderstände der Messbrücke gefühlte
Temperaturdifferenz
eines Wärmeträgerflüidums mit einem zu dessen zeitlicher Strömungsmenge proportionalen
Eingangssignal dient. In diesem Fall können zweckmäßig in den entkoppelten Hälften
der Messbrückenschaltung die Temperatufühler für die Vorlauf- und Pücklauftemperatur
des Wärmeträgerfluidums angeordnet sein. Will man die vom Wärmeträgerfluidum zwischen
Vor- und Pücklauftemperatur abgegebene Wärmemenge zeitlich zur Wärmemengenzählung
integrieren oder das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers aus sonstigen
Gründen inte-Schaltungsanordnung grieren, dann kann vorgesehen sein, dass die/mit
Wechselspannung gespeist wird, dass im Gegenkopplungszweig des erste Operationsverstärkers
eine Gleichrichterschaltung angeordnet ist, deren Ausgänge die Messbrücke speisen,
dass das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers mittels eines Miller-Integrators
integriert wird und dass bei jedesmaligem Auftreten eines Ausgangsimpulses des Miller-Integrators
die Eingangsspannung der Messbrücke mittels einer Umschaltvorrichtung umgepolt wird.
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Indem die zu beiden Seiten der Ausgangsdiagonale befindlichen Brückenhälften
voneinander entkoppelt sind, d.h.
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dass die Änderunng irgendeines Widerstandes der einen Brückenhälfte
nur die Brückenverstimmung, nicht jedoch die Ströme in den Zweigen der anderen Brückenhälfte
beeinflusst,
schafft man unter anderem die Möglichkeit, dass man
bei Verwendung von nichtlinearen Messwiderständen, d.h., Messwiderständen, deren
Widerstandswerte sich nichtlinear mit der den Messwiderstand beaufschlagenden Zustandscrrösse,
beispielsweise einer Temperatur, Druck oder derqleichen, ändern, durch geeignete
Abstimmung eines oder mehrerer konstanter, ggfs. einstellbarer Widerstande der betreffenden
Brückenhälfte oder durch sonstige Maßnahmen jede Brückenhälfte für sich linearisieren
kann, d.h., dass die Beeinflussung der Brückenverstimmjung durch diese Brückenhälfte
so erfolqt, dass trotz des nichtlinearen Messwiderstandes die Brückenverstimmung
sich linear mit der den Messwiderstand beaufschlagenden Zustandsgrösse ändert.
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Insbesondere kann der nichtlineare Messwiderstand eine progressive
Charakteristik haben, d.h., dass sich sein Widerstandswert stärker als proportional
zu der Änderung der Zustandsgrösse ändert. Dies schafft die Möglichkeit, bei Temperaturmessungen
Nickel-Widerstandsthermometer als Messfühler oder ähnlich nichtlineare Temperatufühler
einsetzen zu kennen.
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In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt, wobei es sich versteht, dass sie in zahlreichen weiteren Ausführungsformen
verwirklicht werden kann.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine erste Schaltungsanordnung gemäß
der Erfindung, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
nach der Erfindung, welche zur Zählung von \^7ärmemenger dient.
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In den beiden Figuren sind sich entsprechende komponeneten mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat Masseanschlüsse
10 bis 13. An den Masseanschluss 10 und den Eingang 14 wird die Eingangsspannung
angelegt, die je nach Verwendunq der Schaltungsanordnung eine konstante Gleich-
oder Wechselspannung oder variable Gleich- oder Wechselspannung sein kann. In den
Gegenkopplungszweig 21 eines ersten Operationsverstrkers 15 ist eine Messbrücke
16 zwischengeschaltet, die vier Brückenz't:eige mit den Widerständen 17 bis 20 hat.
Die Widerstände 19, 2C sind Mass
widerstände, beispielsweise temperatur-
oder druck- oder zugabhängige Widerstände oder dergleichen. Die anderen beiden Widerstände
17, 18 sind konstante Widerstände. Der Gegenkopplungszweig 21 führt vom Ausgang
des ersten Operationsverstärkers 15 zu dessen invertierender Eingang 22. Der Masseanschluss
11 ist über einen Widerstand 4 ebenfalls an diesen invertierenden Eingang 22 angeschlossen.
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Die Ausgangsdianonale der Messbrücke 16 ist an die Verbindungsstellen
23, 24 der Brückenzweige angeschlossen und weist einen dritten Operationsverstärker
25 auf, dessen Ausgang über einen Widerstand 26 mit dem invertierenden Eingang 27
dieses Operationsverstärkers 25 gegengekoppelt ist. Dieser invertierende Eingang
27 ist ferner an den Brückenpunkt 24 angeschlossen.
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Der Ausgang dieses Operationsverstärkers 25 ist ferner über einen
Widerstand 29 an den invertierenden Eingang 29' eines vierten Operationsverstärkers
30 angeschlossen, dessen anderer Eingang an dem Masseanschluss 13 liest. Der Ausgana
des vierten Operationsverstärkers 30 ist über einen Widerstand 31 an den nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 25 angeschlcssen, wobei dieser Eingang auch an
den Brückenpunkt 23 angeschlossen ist. Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers
30 ist ferner über einen Widerstand 32 zum invertierenden Eingang dieses Operationsverstärkers
30 rückgeführt (gegengekoppelt).
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Die Widerstände 26, 29, 31 und 32 müssen folgende Gleichung erfüllen,
damit bei auftretender Brückenverstimmung die Stromstärken in den beiden Leitungen
33 und 34 jeweils gleich gross sind:
R29/@ = R26/@ 32 31 Hierdurch
wird erreicht, dass die durch den Operationsverstärker 30 und die Widerstände 29,
31 und 32 gebildete Saugschaltung bei Brückenverstimmung in dem Widerstand 31 denselben
Stromdurchgang bewirkt, wie er in dem Widerstant 26 durch den Operationsverstärker
25 bewirkt wird, wobei diese Ströme undrnit die Ströme in der Leitung 34 und der
Leitung 33 praktisch einem Rurzschlußstrom entsprechen, wobei jeweils einer der
Ströme in die Ausganqsdiagonale an der Stelle 23 oder 24 einstrmt und der andere
Strom an der Stelle 24 oder 23 aus der Ausgangsdiagonalen ausströmt. Man kann den
die Ströme in den Leitungen 33 und 34 betreffenden Sachverhalt auch so beschreiben,
dass in diesen Leitungen ein Strom fliesst, der zumindest nahezu demjenigen Strom
entspricht, der in einer die Stellen 23, 24 verbindenden Kurzschlussleitung strömen
würden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 25 ist praktisch exakt proportieral
der Ausgangsgröße der Brücke 16.
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An den Brückenpunkt 23 ist ferner der invertierende Eingang einen
zweiten Operationsverstärkers 40 angeschlossen, dessen anderen Eingang bei 12 an
Masse liegt. Per Ausgang dieses Operationsverstärkers 40 ist über einen Widerstand
2 an den nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 15 angeschlossen.
Ferner ist der nicht invertierende Eingang dieses ersten Operationsverstärkers 15
über einen Widerstand 1 an den Eingang 14 der Schaltungsanordnung angeschlossen.
Der Ausgang des zweiter Operationsverstärkers 40 ist ferner iiber einen Widerstand
3 an den invertierenden Eingang 22 des ersten Operationsverstärkers 15 angeschlossen.
Die Widerstände 1 bis 4 sind so zu treffen, dass folgende Gleichung erfüllt ist:
P1
: P2 = P4 : R3, wobei die Indizes die betreffenden Widerstände 1 bis 4 bezeichnen.
Es ergibt sich eine exakte Speisung der Brücke 16 mit eingeprägtem Strom.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist die Messbrücke 16 zwe Messwiderstände
19, 20 auf, die die Brücke entgegengesetzt verstimmen, so dass der der Brückenverstimmung
entsprechende Strom in der Leitung 33 ein Maß für die Differenz der durch die Messwiderstände
gefühlten Werte der betreffenden Zustandsgrössen ist. Es gelingt, selbst bei Verwendung
nichtlinearer Widerstände 19, 20 durch geeignete Grössen der WkrsUnde 17, 18 oder
verstimmung zusätzlice Maßnahmen zu erreichen, dass die Brücken- sehr gut proporticha
zu der Differenz der qefhlten Werte der beiden Zustandsgrössen ist, insbesondere
dann, wenn die Widerstände 19, 20 eine progressive Charakteristik haben, wie z.B.
Nickelwiderstandsthermometer. Die Brückenverstimmung ist auch proportional zu der
zwischen dem Masseanschluss 10 und dem Eingang 14 anliegenden Eingangsspannung,
so dass man, falls erwünscht, diese Eingangsspannung multiplizieren kann mit der
Differenz der die Messwiderstände 19, 20 beeinflussenden Werte der betreffenden
ZL-standsgrössen. Falls eine Multiplikation nur zwischen einem einzigen, die Brücke
verstimmenden Messwert und der Eingang spannung der Schaltungsanordnung vorgenommen
werden soll, kann man einen der beiden Messwiderstände 19, 20 durch einen konstanten
Widerstand ersetzen. Falls keine Multiplikation notwendig ist, speist man die Schaltungsanordnung
mit konstanter Gleich-oder Wechselspannunn.
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Der zweite Operationsverstärker 40 zusammen mit den Widerständen 1
- 4 bewirkt, dass der Brückennunkt 23 auf derselben Potential wie die Masseanschlüsse
10 bis 13 gehalten wird.
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Wenn die Masse die Spannung Null hat, d.h. die Masseanschlüsse geerdet
sind, wird entsprechend der Brückenpunkt 23 ständig auf dem Potential Null gehalten.
Die Masse kann jedoch auch ein von Null abweichendes Potential haben.
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Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung hat im strichpunktiert
umrandeten Teil 42 eine ähnliche Ausbildung wie die Schaltungsanordnung nach Fig.
1 mit den Unterschieden, dass die Widerstände 1, 2 an invertierenden Eingang und
die Widerstände 3,4 am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15
angeschlossen sind, und ferner ir den Gegenkopplungszweig 21 des ersten Operationsverstärkers
15 eine Gleichrichterschaltung 43, hier eine Cleichrichterbrücke gelegt ist, deren
Ausaangspole über zwei Polumschalter 44, 45 an die eingangsdianonale der Messbrücke
16 angeschlosren sind.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung ferner erfindungsgemäß
so weitergebildet, dass sie der Intearation (Zählung) von Wärmemengen oder ggfs.
auch von anderen zu multiplizierenden Eingabewerten dient. Zu diesem Zweck ist an
den Ausgang des dritten Operationsverstärkers 25 der Einaana eines Integrators 46
angeschlossen, der in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Miller-Integrator
ist und dessen Pusgangsimpulse ein Zählwerk 47 fortschalten. Der Ausgang dieses
Integrators 46 steuert ferner über eine Stellvorrichtung 49, beispielsweise eien
pelaisspule, einen Schrittmotor oder dergleichen die Umschalter 44, 45 in der Weise,
dass bei jedesmaligem Auftreten eines Ausgangsimpulses des Integrators 46 die Messbrücke
16 umgepolt wird, so dass der Integrator 46 abwechselnd aufwärts bis zu einem bestimmten
Maximalwert und abwärts bis zu einem bestimmten Minimalwert zählt, wobei jedes Erreichen
des Maximal-und Minimalwertes einen Ausgangsimpuls auslöst.
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Wenn, wie bevorzugt vorgesehen, diese Schaltungsanordnung für einen
Wärmemengenzähler voraesehen ist, dann wird die an den Eingang 14 angelegte Einqangsspannunq
Proportional zur zeitlichen Strömungsmenge des Wärmeträgerfloidums getroffen. Einer
der beiden Messwiderstände 19, 20 dient der Messung der Vorlauftemperatur und der
andere der Rücklauftemperatur des Wärmeträgerfluidums, z.B. in einer Heizungsanlage,
Klimaanlage oder dergleichen.
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Aufgrund der beschriebenen Ausbildung dieser Schaltungsanordnung gelingt
es ohne weiteres, dass der in den Leitungen 33, 34 auftretende
Strom
streng proportional zum Quotienten zwischen cer Eingangsspannung an den Anschlüssen
10 und 14 un/!idersta 1 und damit streng proportional zu dieser Eingangsspannung
ist.
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Dies gilt streng, obwohl der invertierende Eingang 22 des Operationsverstärkers
15 infolge der Pnsteuerung durch den Ausgang des Operationsverstärkers 40 über den
Widerstand 2 auch zusätzliche Spannungshübe ausführt, die sich jedoch nicht auf
den in der Ausgangsleitung des Operationsverstärkers 15 auftretenden Strom auswirken,
sondern nur desen Ausgangsspannung beeinflussen. Es ergibt sich bei dieser Schaltungsanordnung
folglich, dass bei Verwendung in einem Wärmemengenzähler die Brückenverstimmung,
d.h. der in den Leitungen 33 und 34 auftretende Strom proportional zu der zeitlichen
Strömungsmenge # des Wärmeträgerfluidums und proportional zu der durch die Messwiderstände
19, 20 gemessenen Differenz zwischen Vorlauftemperatur Tv und Rücklauftemperatur
TR ist, so dass das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers 25 proportional
zu Q (Tv T Tp) ist. Dieses Ausganassignal wird integriert und der Integrationswert
durch des Zählwert 47 angezeigt.
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Bei den in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnungen können
zweckmäßig alle dargestellten Widerstände ohmsche Widerstände sein. Doch versteht
es sich, dass je nach Erfordernis
zumindest einige dieser Widerstände
auch andere Impedanzen sein können, insbesondere kapazitive Widerstände oder kombinationen
ohmscher und kapazitiver Widerstände und dass auch zusätzliche elektrische oder
elektronische Komponenten und sonstige schaltungstechnische Maßnahmen getroffen
sein können, da die Figuren nur Prinzipschaltungen zeiqen.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat die Erfindung auch den
Vorteil, dass sie für die Erzeugung des eingeprägten Brückenspeisestromes keine
Transformatoren benötigt, welche baulich sehr aufwendig wären und auch kaum die
mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielbare Genauigkeit zulassen würden
und auch nicht primärseitig mit Gleichspannuna gespeist werden kcnnten.
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Die in der Beschreibungseinleitung beschriebene Erfindung und die
Ausführungsbeispiele beinhalten nicht nur eine Messbrücke, bei welcher die zu beiden
Seiten der Ausgangsdiagonalen befindlichen Brückenhälften entkoppelt sind, sondern
noch weitere vorteilhafte Merkmale, insbesondere, dass eine Anschlußstelle der Ausgangsdiagonalen
(in den Ausführungsbeispielen die Anschlußstelle 23) stand auf konstanter Potential
aehalten wird, was unter anderem die Möglichkeit schafft, mit der Brückenverstimmung
einen Operationsverstärker galvanisch ansteuern zu kernen.
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Derartige Operationsverstärker zeichnen sich durch geringe Kosten
und hohe Genauigkeit aus und haben auch eine hohe Leerlaufverstärkung. Sie ermöglichen
auch Analoqrechenoperationen.
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Durch die in Anspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung wird die
Brücke junter Verwendung eines Operationsverstärkers mit einqeprãgtes Strom gespeist,
vas ebenfalls erhebliche Vorteile hat, unter anderes die Ifrlicbkeit schafft, auch
mittels dieses Operationsverstärkers oder seiner Eingangsspannung oder mittels sonstigen
paßnahlen Analogrechenoperationen durchzuführer..
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Vorteilhaft ist auch hier u.a. die hohe Leerlaufverstärkune.
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Da der Anmelderin z.Zt. keine mit iengeprägtem Strom gespeisten Brückenschaltungen
bekannt sind, deren zu beiden Seiten der Ausgangsdiagonalen befindlichen Brückenhälften
voneinander er.tkoppelt sind, und dieses Prinzip zumindest in vielen Anwendungsfällen
erhebliche Vorteile hat, wie an Beispielen weiter ober.
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gezeigt ist, wird Schutz allgemein auch dafür beansprucht, dass bei
einer alt eingeprägtem Strom gespeisten Brückenschaltung, vorzugsweise einer Mesabrückenschaltung,
die beiden brücke seitigen Anschlußstellen der ausgangsdiagonale der 3riicke auf
praktisch demselten Potential gehalten werden, so dass der aus den Verbindungsstellen
zwischen den äusseren Brückenzweigen in die Ausgangsdiagonale jeweils ein- bzw.
ausfliessene Strom praktisch demjenigen Strom entspricht, der fliessen würde, wenn
die Ausgangsdiaqonale kurzgeschlossen wäre.