DE2314754C2

DE2314754C2 - Elektrische Vielstellen-Meßeinrichtung

Info

Publication number: DE2314754C2
Application number: DE2314754A
Authority: DE
Inventors: Manfred 6101 Weiterstadt Kreuzer
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1973-03-24
Filing date: 1973-03-24
Publication date: 1979-02-08
Also published as: GB1458765A; DE2314754B1; US3873917A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vielstellen-Meßeinrichtung in Brückenschaltung, bei welcher jede Meßstelle aus einem zwei Meßwiderstände bzw. einen Meßwiderstand und einen Ergänzungswiderstand enthaltenden Meßbrückenzweig besteht und die einzelnen Meßstellen mittels eines am einen Ende des Meßbrückenzweiges oder je eines an den beiden Enden des Meßbrückenzweiges angeordneten Speisespannungschalters wahlweise an eine Speisespannumgsquelle anschaltbar sind.

Zur Verringerung des Schaltungsaufwandes schaltet man häufig gleichartige Meßwiderstände nacheinander in dieselbe Brücke. Handelt es sich hierbei um Meßwiderstände mit kleinen relativen Widerstandsänderungen, z. B. um Dehnungsmeßstreifen, können veränderliche Kontaktwiderstände der Schalter die Messung völlig verfälschen.

Zur Verminderung dieser nachteiligen Auswirkmngen sind bereits Anordnungen bekanntgeworden (Rohrbach, »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen«, VDI-Verlag 1967, S. 251), bei welchen die Fehler zufolge des Einflusses des Kontaktwiderstandes des Speisespannungschalters dadurch vermindert werden, daß die geschaltete Speisespannung durch einen weiteren Schalter der Ergänzungshalbbrücke zugeführt wird und dadurch den Nullpunktfehler gegenüber der üblichen Anordnung, bei der die Speisespannung der Ergänzungshalbbrücke direkt zugeführt wird, verringert wird. Die durch die Kontaktwiderstände der Schalter bedingten Empfindlichkeitsfehler werden bei der bekannten Anordnung jedoch nicht nur nicht verringert, sondern sogar noch erhöht. Infolge des großen Einflusses der Widerstände ier

Schaltkontakte erschien es bisher nicht möglich, Schalter, 2. B. Halbleiterschalter, trockene Reedschalter od. dgl., die einen verhältnismäßig hohen absoluten Einschaltwiderstand besitzen, für die Umschaltung in Brückenschaltungen zu verwenden. Typische Schaltwiderstände beispielsweise der Halbleiterschalter sind Werte von IO bis 100 Ohm, wogegen die Kontaktwiderstände der Schalter in Brückenzweigen kleiner als 1 · 10~³ Ohm sein sollten. Die wegen ihrer großen Zuverlässigkeit, ihrer Verschleißfreiheit und ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit vorteilhaften Halbleiterschalter sind daher in Fachkreisen als zum Einsatz in Meßbrückenzweige nicht geeignet angesehen worden. Aus diesem Grunde ist in Fachkreisen angeregt worden, um die günstigen Halbleiterschalter verwenden zu können, an Stelle von Meßbrückenschaltungen Schaltungen mit eingeprägtem Strom zu verwenden (deutsche Offenlegungsschrift 1944 400; »Materialprüfung«, 11 [1969], Nr. 8, S. 261 ff.).

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es durchaus möglich ist, Halbleiterschalter mit Vorteil auch zur Schaltung von Meßbrückenzweigen einzusetzen. Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine MeßbrUckenschaltung zu schaffen, bei der auch zur Umschaltung niederohmiger Meßbrückenzweige elektronische Schaltmittel verwendbar sind, die einen verhältnismäßig hohen absoluten Einschaltwiderstand besitzen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung bei einer elektrischen Vielstellen-Meßeinrichtung der eingangs angegebenen Gattung vorgesehen, daß bei jeder Meßstelle zwischen dem einen Speisespannungschalter und dem Meßwiderstand und gegebenenfalls zwischen dem anderen Speisespannungschalter und dem zweiten Meßwiderstand bzw. dem Ergänzungswiderstand ein Spannungsabgriff vorgesehen ist, welcher mit einer Regelanordnung verbunden ist, die die Speisespannung derart nachregelt, daß am Ort des Spannungsabgriffs die vorgegebene Spannung der Speisespannungsquelle anliegt.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 kann eine einzige Regelanordnung wahlweise für mehrere Meßstellen verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Regelanordnung ergibt sich aus Anspruch 3.

Eine andere Ausgestaltung der Regelanordnung offenbart Anspruch 4. Hierbei kann für jede der Meßstellen ein solcher Operationsverstärker vorgesehen sein oder gemäß Anspruch 5 ein einziger Operationsverstärker abwechselnd einer von mehreren Meßstellen zuschaltbar sein. Die Meßstellen können sowohl als Brückenzweige als auch als Vollbrücken ausgebildet sein.

Die Ansprüche 6 und 7 betreffen zwei vorteilhafte Ausführungen des Speisespannungschalters.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Regelanordnung ergibt sich aus Anspruch 8. Zur Vermeidung von Restströmen in der Ausgangsleitung des Operationsverstärkers bei abgeschaltetem Operationsverstärker ist eine Ausgestaltung nach Anspruch 9 zweckmäßig.

Durch Verwendung von Regelanordnungen entsprechender Güte kann man mit den vorstehend erwähnten Ausgestaltungen praktisch allen Anforderungen in bezug auf Genauigkeit und Nullpunktsstabilität gerecht werden. Soweit bei Verwendung einfacherer Regelanordnungen Schaltwiderstände verhleihen., haben Hie.se. auf die Genauigkeit vernachlässigbar kleine Auswirkungen, während sie die Nullpunktsstabilität bereits in unerwünschtem Maße beeinflussen können.

Die Ansprüche 10 und 11 beziehen sich auf Vorrichtungen, die bei den verschiedenen Ausgestaltungen mit Vorteil als Schalter verwendet werden.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung mit beidseitiger Anschaltung der Meßbrückenzweige, einer Ergänzungshalbbrücke ίο und Operationsverstärkern als Regelanordnungen,

Fig. 2 eine im wesentlichen Fig. 1 entsprechende Anordnung, jedoch mit anders gestalteter Ergänzungshalbbrücke,

Fig. 3 eine Anordnung mit einseitiger Anschaltung der Meßbrückenzweige und einer Regelanordnung mit Amplitudenkontrollgerät,

F i g. 4 eine Gesamtanordnung mit beidseitig an je eine gemeinsame Regelanordnung anschaltbaren Meßbrückenzweigen und synchron zuschaltbarer hochohmiger Ergänzungshalbbrücke,

F i g. 5 eine im wesentlichen der F i g. 8 entsprechende Anordnung, jedoch mit jedem Meßbrückenzweig fest zugeordneter Regelanordnung,

Fig. 6 einen Speisespannungschalter, bestehend aus einer Operationsverstärkerschaltung mit steuerbarem Ausgangstransistor,

Fig. 7 einen Speisespannungschalter, bestehend aus einer Operationsverstärkerschaltung mit steuerbarem Kollektorausgang,

Fig. 8 einen Speisespannungschalter, bestehend aus einer Operationsverstärkerschaltung mit abschaltbarer Eingangs- und Betriebsspannung.

In Fig. I sind an die beiden Klemmen einer Speisespannungsquelle 1 die nicht invertierenden Eingänge zweier Operationsverstärker 2, 3 und eine aus zwei Widerständen Rl und Rl bestehende Ergänzungshalbbrücke angeschlossen. Am Ausgang des Operationsverstärkers 2 sind die Schalter S₁₂, S₂₂, S₃₂ und am Ausgang des Operationsverstärkers 3 die Schalter S₁₃. S₂₃, S₃₃ angeschlossen. Jeweils ein Paar einander entsprechender Schalter beider Gruppen, beispielsweise S₁₂ und S₁₃, schaltet einen aus Meßwiderständen Xf₁₂ und AZ₁₃ bzw. M₂₂ und M₂₃ bzw. M₃₂ und M₃₃ bestehenden Meßbrückenzweig an den Operationsverstärker 2 bzw. 3 an. An Stelle jeweils zweier Meßwiderstände kann auch ein Meßwiderstand und ein Kompensationswiderstand zur Bildung eines Meßbrückenzweiges herangezogen werden. Im Falle der Verwendung von Kompensationswiderständen ist es auch möglich, einen gemeinsamen Kompensationswiderstand für alle Meßbrückenzweige vorzusehen. In diesem Falle wäre der gemeinsame Kompensationswiderstand auf der einen Seite fest mit den Meßwiderständen der einzelnen Brückenzweige und andererseits unter Weglassung der Schalter S₁₃, S₂₃, S₃₃ direkt mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 3 zu verbinden.

Zwischen den Schaltern S₁₂, S₂₂, S₃₂ und den jeweils zugeordneten Meßwiderständen Af₁₂, M₂₂, M₃₂ ist jeweils eine Leitung angeschlossen, welche über Schalter S'₁₂, S'₂₂, S'₃₂ wahlweise mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 verbindbar ist.

In gleicher Weise ist mittels der Schalter S'₁₃, S'_M, S'33 eine Verbindung zwischen den Meß- bzw. Kompensationswiderständen M₁₃, M₂₃, M^ und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 herstellbar.

Die jeweils einander zugeordneten Schalter der

Gruppen S₁₂, S₂₂, S₃₂; S₁₃, S₂₃, S₃₃; S'₁₂, S'₂₂, S'₃₂ und erste Meßstelle, so wird keine Ergänzungshalbbrücke S'₁₃, S'^, S'^ wurden jeweils synchron miteinander benötigt; in diesem Falle wird durch Öffnen <le< geschaltet. Schalters S₅ die Ergänzungshalbbrücke abgeschaltel

Ein Meßgerät 4 ist in üblicher Weise mit den M'ttel- und durch gleichzeitiges Schließen des Schalters, abgriffen der Meßbrückenzweige einerseits und dem 5 die Meßdiagonale der Vollbrücke unter Zwischen-Mittetobgriff der Ergänzungshalbbrücke andererseits fügung eines Verstärkers 13 direkt auf das Meßverbunden, gerät 4 geschaltet. Die Schalter S₁₁, S_äl, S₃₁, S₄₁

Die möglichst nahe bei den Meßwiderständen M₁₂, dienen zur wahlweisen Anschaltung des einen Meß- M₂₂, M₃₂; M₁₃, M₂₃, M₃₃ abgegriffenen Spannungen diagonalpunktes der einzelnen Meßstellen, die Schalter werden jeweils dem invertierenden Eingang der Ope- »° S₁₄, S₂₄, S.„. S₁₁ dienen zur wahl weisen Anschaltung rationsverstärker 2 bzw. 3 zugeführt. Die Operations- des anderen Mcßdiagonalpunktes bei in Vollbrückenverstärker verändern ihre Ausgangsspannung so, daß schaltung ausgeführten Meßstellen,
die an ihrem invertierenden Eingang anliegende Span- An Stelle von individuellen Abgleichmaßnahmen

nung gleich der Spannung wird, die an ihrem nicht bei den einzelnen Meßstellen kann in an sich bekannter invertierenden Eingang anliegt. Auf diese Weise wer- 15 Weise der Abgleich auch durch eine zentrale, programden Spannungsverluste ausgeglichen, die durch Wider- mierte Abgleicheinheit erfolgen, die beispielsweise auf stände in der Leitung zwischen dem Ausgang des die Ergänzungshalbbrücke wirkt. Vorteilhafter ist es Operationsverstärkers und den Meßwiderständen auf- jedoch, weil dies auch für die Verwendung von Volltreten einschließlich der Spannungsverluste an den hrückenschaltungen bei den einzelnen Meßstellen verSchaltern S₁₂, S₂₂, S₃₂ bzw. S₁₃, S₂₃, S₃₃. Zwischen den »0 wendbar ist, die zentrale Abgleicheinheit auf den Meßwiderständen und den invertierenden Eingängen Verstärker 13 zur Wirkung zu bringen,
der Operationsverstärker treten keine Spannungs- Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel

Verluste auf, weil der invertierende Eingang der sind die Operationsverstärker 2 und 3 gemeinsam für Operationsverstärker hochohmig ist. alle bzw. mehrere Meßstellen vorgesehen. Fig. 5 zeigt

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unter- 25 eine Ausführungsform, bei welcher jeder Meßstelle je scheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ein solcher Operationsverstärker O₁₂, O₂₂, O₃₂, O₄. dadurch, daß die Spannungsquelle Γ in zwei gleiche bzw. O₁₃, O₂₃, O₃₃, O₄₃ fest zugeordnet ist. Hierfüi Hälften aufgeteilt und gleichzeitig als Ergänzungs- sind Operationsverstärker zu verwenden, deren Aushalbbrücke verwendet ist und das Meßgerät 4 direkt gang abschaltbar, d. h. in den Zustand »isolierend« mit der Mittelanzapfung der Spannungsquelle Γ ver- 30 schaltbar ist. Die Fig. 6 bis 8 zeigen Beispiele für bunden ist. Eine weitere, sinngemäß auch bei der Aus- solche Operationsverstärkerschaltungen,
führungsform gemäß Fig. 1 anwendbare Variante In Fig. 6 ist eine Operationsverstärkerschaltung

besteht in Fig. 2 darin, daß in den einzelnen Meß- mit steuerbarem Ausgangstransistor vorgesehen. Am brückenzweigen an Stelle der zweiten Meßwiderstände nicht invertierenden Eingang des Operationsverstär- M₁₃. M₂₃, M₃₃ ein für alle Meßbrückenzweige gemein- 35 kers liegt die von der nicht dargestellten Speisespansanier Kompensationswiderstand K vorgesehen ist. nungsquelle zur Verfügung gestellte Speisespannung Us

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform an. Sperrt der Transistor 14, so ist der Operationswird die bei den Meßwiderständen Ai₁₂, M₂₂, M₃₂ ab- verstärker abgeschaltet, d. h., der Ausgangswiderstand gegriffene Spannung über die Leitung 5 und die an der Operationsverstärkerschaltung geht gegen unendeinem für alle Meßbrückenzweige gemeinsamen Korn- 40 Hch. Leitet hingegen der Transistor 14, so erfolgt pensationswidcrstand A' abgegriffene Spannung über zufolge der Rückkopplung seiner Ausgangsspannung die Leitung 6 einem Amplitudenkontrollgerät 7 züge- zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers führt und dort mit einer vorgegebenen Referenz- die bereits beschriebene Nachregelung der Spannung, spannung LVr/ verglichen. Ein einer festgestellten Ab- so daß die Ausgangsspannung Um der Operationsweichung entsprechendes Regelsignal wird zur Nach- 45 verstärkerschaltung den gewünschten Wert erhält,
regelung der Ausgangsspannung des steuerbaren Fig. 7 zeigt eine Operationsverstärkerschaltung

Generators 8 herangezogen, derart, daß die Amplitude mit steuerbarem Kollektorausgang. Solange der Schalder an den Meßwiderständen Af₁₂, M₂₂, M₃₂ anliegen- ter 15 geöffnet ist, arbeitet die Schaltung in der bereits den Spannung die gewünschte Größe erhält. An den beschriebenen Weise, die Ausgangsspannung U_M wird Leitungen 5 und 6 ist die Ergänzungshalbbrücke, be- 5° nachgeregelt, so daß sie den gewünschten Wert einstehend aus den Widerständen Λ1 und Λ 2, angeschlos- nimmt. Wird der Schalter 15 geschlossen, so wird der sen. Die Ergänzungshalbbrücke ist bei dieser Ausfüh- Transistor T₁ in der Operationsverstärkerschaltung rungsform hochohmig, um störende Spannungsabfälle gesperrt, und der Ausgangswiderstand der Schaltung an den Schaltern S'₁₂, S'^ und S^₃₂ zu vermeiden. geht gegen unendlich, die betreffende Meßstelle is)

F i g. 4 zeigt die Darstellung einer kompletten Viel- 55 abgeschaltet.

stellen-Meßeinrichtung für vier Meßstellen unter Ver- F i g. 8 zeigt eine Operationsverstärkerschaltuni

Wendung verschiedener, in vorhergehenden Figuren mit abschaltbarer Eingangs- und Betriebsspannung dargestellten Varianten. In diesem Beispiel ist die erste Sind die synchron miteinander betätigten Schalter 16 Meßstelle eine Vollbrückenschaltung, die zweite Meß- 17, 18 geschlossen, so ist die betreffende Meßstellt stelle eine Halbbrückenschaltung, die dritte und vierte 60 eingeschaltet. Sind die Schalter 16 bis 18 hingegen ge-Meßstelle bestehen jeweils aus einem einzelnen Meß- öffnet, so geht der Ausgangswiderstand der Schaltung widerstand mit zugeordnetem Kompensationswider- gegen unendlich, da weder Eingangsspannung noch stand. Die Speisespannung wird für die einzelnen Betriebsspannung angelegt sind. Will man evtl. noch Meßstellen beidseitig mittels der Schalter S₁₂, S₂₂, S₃₂, auftretende kleine Leckströme der Schalter 16 bis 18 S₄,; S_n, S₂₃, S₃₃, S₄₃ zugeschaltet Die Anschaltung 65 wirkungslos machen, so leitet man sie — wie gestrichelt der Ergänzungshalbbrücke erfolgt beidseitig über die dargestellt — über die Widerstände A3 und A4 zum Schalter S'₁₂, S'^, S'^, S₄₂; S'_w, ^₂₃, S'^, S'₄₃. Besteht Ausgang eines Impedanzwandlers 19 ab, dessen Eindie Meßstelle aus einer Vollbrücke, wie im Beispiel die gang mit der Meßdiagonale verbunden ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Vielstellen-Meßeinrichtung in Brückenschaltung, bei welcher jede Meßstelle aus einem zwei Meßwiderstände bzw. einen Meßwiderstand und einen Ergänzungswiderstand enthaltenden Meßbrückenzweig besteht und die einzelnen Meßstel'en mittels eines am einen Ende des Meßbrückenzweiges oder je eines an den beiden Enden des Meßbrückenzweiges angeordneten Speisespannungsschalters wahlweise an eine Speisespannungsquelle ansclialtbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Meßstelle (M₁₂, M₂₂, M₃₂, M₁₃, Af₂₃, M₃₃) zwischen dem einen Speisespannungsschalter (S₁₂, S₂₂, S₃₂, S₄₂) und dem Meßwiderstand (M₁₂, M₂₂, M₃₂) und gegebenenfalls zwischen dem anderen Speisespannungsschalter (S₁₃, S₂₃, S₃₃, S₄₃) und dem zweiten Meßwiderstand (M₁₃, M₂₃, M₃₃) bzw. dem Ergänzungswiderstand (K) ein Spannungsabgriff vorgesehen ist, welcher mit einer Regelanordnung (2, 3, 7, O₁₂, O₂₂, O₃₂, °42> ^oi3> °23> ^33« °43) verbunden ist, die die Speisespannung derart nachregelt, daß am Ort des Spannungsabgriffs die vorgegebene Spannung der Speisespannungsquelle (1) anliegt.

2. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spannungsabgriff und Regelanordnung (2, 3, 7) ein synchron mit dem zugeordneten Speisespannungsschalter (S₁₂, S₂₂, S₃₂, S₄₂, S₁₃, S₂₃₅S₃₃, S₄₃) einschaltbarer Schalter (S'₁₂, S'₂₂, S'_M, S'₄₂, S'_13l S'^, S'^, S'₄₃) vorgesehen ist.

3. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung aus einem Amplitudonkontrollgerät (7) besteht, welches die Amplitude der am Ort des Spannungsabgriffs anliegenden Spannung mit einem vorgebbaren Wert (Uref) vergleicht und in Abhängigkeit von der festgestellten Differenz eine Regelspannung zur Nachregelung eines Speisespannungsgenerators (8) bildet.

4. Vielstellen-Meßeinrichtung in Brückenschaltung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung aus einem Operationsverstärker (2, 3) besteht, mit dessem nicht invertierenden Eingang die Speisespannungsquelle (1, Γ, 8), mit dessem Ausgang der jeweilige Speisespannungsschalter (S₁₂, S₂₂, S₃₂, S₁₂₁ S₁₃, S₂₃, S₃₃, S₄₃) und mit dessem invertierenden Eingang der jeweilige Spannungsabgriff bzw. der am jeweiligen Spannungsabgriff angeschlossene Schalter (S'₁₂, S'₂₂, S'₃₂, S'_4Z, S'₁₃, S'23, S'_M, S'₄₃) in Verbindung steht.

5. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Operationsverstärker (2, 3) abwechselnd an eine von mehreren Meßstellen (M₁₂, M₂₂, M₃₂, M₁₃, M₂₃, M₃₃) anschaltbar ist.

6. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Speisespannungschalter der steuerbare Ausgangstransistor (14) einer Operationsverstärkerschaltung verwendet ist (Fig. 6).

7. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß als Speisespannungsschalter eine Operationsverstärkerschaltung mit

steuerbarem Kollektorausgang (T₁) verwendet ist (Fig· 7).

8. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung aus einem ausgangsseitig mit der Meßstelle verbundenen Operationsverstärker besteht, an dessem nicht invertierenden Eingang («/*) die Speisespannung (U,) über den Speisespannungschalter (16) anlegbar ist, dessen invertierender Eingang (1) mit dem Spannungsabgriff verbunden ist und dessen Betriebsspannung (+Ub, -Ub) über Schalter (17, 18) anschaltbar ist (F i g. 8).

9. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdiagonale über einen Impedanzwandler (19) und Widerstände (R₃, R₄) mit den Betriebsspannungseingängen (+U_b, —U_b) des Operationsverstärkers verbunden ist.

10. Vieistellen-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter Halbleiterschalter verwendet äind.

11. Vielstellen-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter geschaltete Operationsverstärker \rerwendet sind (F i g. 6,7 und 8).