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Meßschaltung Die Erfindung betrifft eine Meßschaltung zum Erzeugen
eines der Spannungsdifferenz zweier Gleichspannungen proportionalen Gleichstroms.
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In der Meßtechnik stellt sich immer wieder die Aufgabe, die Differenz
zweier Gleichspannungen zu messen, und zwar insbesondere in Schaltungen, in denen
eine galvanische Trennung der den beiden Spannungen zugeordneten Meßpunkte nicht
möglich ist, was insbesondere bei kleinen, zu messenden Spannungen bzw. Spannungsdifferenzen
zu Schwierigkeiten führen kann. Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten wurde eine
Reihe von Spezialschaltungen entwickelt, mit deren Hilfe es möglich war, unter den
jeweiligen Bedingungen die Spannungsdifferenz mit der gewünschten Genauigkeit zu
ermitteln.
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Bei der Messung von Temperaturen auf elektrischem Wege mit Hilfe von
Thermoelementen oder Widerstandsthermometern wird beispielsweise mit mehr oder weniger
komplizierten Brückenschaltungen und Kompensationsschaltungen gearbeitet, mit deren
Hilfe die zu messende Spannung bzw. Widerstandsänderung, die
sehr
klein ist, im allgemeinen mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden kanne Die
Schwierigkeiten bei der Temperaturmessung sind dabei insbesondere darauf zurückzuführen,
daß sowohl beim Arbeiten mit Thermoelementen als auch beim Arbeiten mit Widerstandsthermometern
aus einem größeren Temperaturbereich kleine Meßbereiche herausgeschnitten werden
müssen, was eine Nullpunktsanhebung bzw. -unterdruckung erforderlich macht.
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Während beim Arbeiten mit Widerstandsthermometern im allgemeinen Strommessungen
durchgeführt werden, wobei beispielsweise Kreuzspulmeßwerke verwendet werden, um
Stromdifferenzen in verschiedenen Leiterschleifen zu ermitteln, wird bei der Widerstandsmessung
mit Hilfe von Thermoelementen gegen eina Vergleichsspannung gemessen, die üblicherweise
durch eine sogenannte Temperaturausgleichsschaltung erzeugt wird, die dazu dient,
den Einfluß von Temperaturschwankungen an der Vergleichsstelle auf das Meßergebnis
auszuschalten Was die Temperaturmessung auf elektrischem Wege anbelangt, so unterscheiden
sich derzeit nicht nur die Meßschaltungen für Thermoelemente und Widerstandsthermometer
je nach den Genauigkeitsanforderungen werden nämlich bei der Temperaturmessung mit
Widerstandsthermometern Zwei-, Drei und Vier-Leiteranordnungen verwendet, die jeweils
wieder andere Meßschaltungen verlangen.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß derzeit für die Temperaturmessung
keine Meßschaltung zur Verfügung steht, welche die Einhaltung der geforderten Toleranzen
sowohl bei Verwendung von Thermoelementen als auch bei Verwendung von temperaturabhängigen
Widerständen sowie bei Zwei-, Drei-und Vier-Leiterschaltungen gewährleistet.
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Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßschaltung vorzuschlagen, welche vielseitig
einsetzbar ist und welche, insbesondere
zum Zwecke der Temperaturmessung,
in einfachster Weise an alle gestellten Meßaufgaben anpaßbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Meßschaltung der eingangs beschriebenen
Art gelöst, welche gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei mittels
eines Oszillators getaktete Zerhacker vorgesehen sind, an deren Eingänge jeweils
eine der beiden Gleichspannungen anlegbar ist, daß die Ausgänge der beiden Zerhacker
mit den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden sind, mit dessen Ausgang
ein Wechselspannungsverstärker verbunden ist, und daß der Ausgang des Wechselspannungsverstärkers
mit einem durch den Oszillator getakteten Demodulator zur phasenrichtigen Gleichrichtung
verbunden ist, von dessen Ausgang der Gleichstrom abgreifbar ist.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Differenz
zweier Spannungen gemessen werden kann gleichgültig, ob sie einen gemeinsamen Bezugspunkt
besitzen oder nicht. Das bedeutet, daß beispielsweise die Differenz der Spannungsabfälle
an zwei Widerständen gemessen werden kann, die -intereinander geschaltet sind und
vom gleichen Strom durchflossen werden, aber keinen gemeinsamen Bezugspunkt besitzen.
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Es ist auch ein Vorteil der Meßschaltung gemäß der Erfindung, daß
die Gleichspannungen praktisch leistungslos gemessen werden, insbesondere wenn die
Zerhacker, vorzugsweise als integrierte Schaltungen, aus MOS-Feldeffekttransistoren
aufgebaut sind. Die erfindungsgemäße Meßschaltung ist somit auch dort einsetzbar,
wo keine galvanische Trennung zwischen den Meßpunkten möglich ist, an denen die
beiden voneinander zu subtrahierenden Spannungen abgegriffen werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßschaltung besteht darin,
daß die Verstärkung der sehr niedrigen Meßspannungen bzw.
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der aus ihnen erhaltenen Differenzspannung in einem Wechselspannungsverstärker
erfolgen
kann, welcher bei gleicher Meßgenauigkeit wesentlich billiger zu realisieren ist
als ein Gleichspannungsverstärker. Die erfindungsgemäße Meßschaltung ist damit vorbekannten
Meßschaltungen überlegen, bei denen bereits mit einem Gleichspannungs-Differenzverstärker
in der Brückendiagonalen einer Brückenschaltung von Zwei- und Dreileiter-Temperaturmeßschaltungen
gearbeitet wurde.
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Des weiteren ist es ein Vorteil der Meßschaltung gemäß der Erfindung,
daß mit ihrer Hilfe in einfacher Weise eine Linearisierung einer nicht linearen
Kennlinie eines elektrischen Gebers erreicht werden kann, wie dies im Prinzip bereits
in der DT-AS 2 015 132 beschrieben ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Meßschaltung
gemäß der Erfindung; Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
einer Meßschitung gemäß Fig. 1 und Fig. 3 eine Reihe schematischer Schaltbilder
zur Verdeuta bisj lichung der unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten einer Meßschaltung
gemäß Fig. 1 und 2.
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Wie aus Fig. 1 der Zeichnung deutlich wird, umfaßt die erz in dungsgemäße
Meßschaltung zur Ermittlung der Differenz zweier Gleichspannungen Ul und U2 zwischen
jeweils zwei Anschlüssen
10, 12 bzw. 14, 16 folgende Schaltkreise:
zwei Zerhacker 18, 20, einen Differenzverstärker 22, einen Wechselspannungsverstärker
24 und einen Oszillator 26 sowie vorzugsweise einen Ausgangsverstärker 28 und eine
gesteuerte Stromquelle 30 und außerdem einen Demodulator 25.
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In der Meßschaltung gemäß Fig. 1 werden die beiden Zerhacker 18, 20
an deren Eingängen, welche die Anschlüsse 10 bis 16 der Meßschaltung bilden, die
Gleichspannungen U1 und U2 anliegen, von dem Oszillator 26 getaktet, der mit beiden
Zerhackern 18, 20 verbunden ist. Die Ausgänge der beiden Zerhacker 18, 20 sind mit
dem Differenzverstärker 22 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit dem Wechselspannungsverstärker
24 verbunden ist, auf den ein Demodulator 25 folgt, der ebenfalls von dem Oszillator
26 getaktet ist und der phasenrichtigen Gleichrichtung des Ausgangssignals des Wechselspannungsverstärkers
24 dient. Das Ausgangssignal des Demodulators 25 wird vorzugsweise mit Hilfe eines
Ausgangsverstärkers 28 verstärkt, der einen der Spannungsdifferenz der beiden Gleichspannungen
U1, U2 proportionalen Ausgangsstrom 1A liefert.
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Die Wirkungsweiseder erfindungsgemäßen Meßschaltung wird aus dem Prinzipschaltbild
gemäß Fig. 2 deutlich. Man erkennt, daß die beiden Zerhacker 18, 20 im Prinzip jeweils
ein im Gegentakt gesteuertes Schalterpaar S1, S2; 53, 54 umfassen, wobei die in
üblicher Weise angedeuteten, im allgemeinen komplementären und um 1800 phasenverschobenen
Taktimpulse T1, T2 von dem Oszillator 26 erzeugt werden. Ober den jeweils geschlossenen
Schalter - in Fig. 2 die Schalter S2, S4 - wird das Potential an dem zugeordneten
Anschluß an den entsprechenden Eingang 32 bzw. 34 des Differenzverstärkers 22 übertragen.
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Wie aus Fig. 2 deutlich wird, besteht der Differenzverstärker 22 aus
zwei Operationsverstärkern 36, 38, die in Elektrometerschaltung geschaltet sind
und kapazitive Eingänge 32 bzw. 34
besitzen. Die jeweilige Differenzspannung
UD am Ausgang 40 des Differenzverstärkers 22 wird dem Wechselspannungsverstärker
24 zugeführt, der wieder einen Operationsverstärker 42 umfaßt, dessen Verstärkung
über ein Potentiometer 44' im Rückkopplungszweig einstellbar ist. An den Ausgang
46 des Wechselspannungsverstärkers 24 bzw. des Operationsverstärkers 42 ist kapazitiv
der Demodulator 25 angekoppelt. Der Demodulator 25 besteht im Prinzip aus einem
getakteten Schalterpaar S5, 96, wobei die Steuerung der Schalter S5, S6 wieder durch
Taktimpulse T1, T2 vom Oszillator 26 erfogt sowie aus zwei den beiden Schaltern
zugeordneten RC-Gliedern, welche die Spannung in dem entsprechenden Schalterzweig
integrieren. Zwischen den beiden Ausgangsklemmen 48, 50 des getakteten Demodulators
25, der eine phasenrichtige Gleichrichtung des ihm zugeführten Eingangssignals bewirkt,
liegt eine Ausgangspannung UA, die der Differenzspannung UD proportämal ist. Die
Ausgangsspannung UA kann in einfacher Weise in einen der Differenzspannung UD proportionalen
Strom umgewandelt werden, indem man zwischen die Ausgangsklemmen 48, 50 einen in
geeigneter weise dimensionierten Widerstand einfügt. In den meisten Fällen hat es
sich doch als zweckmäßig erwiesen, die Ausgangsspannung UA noch einem Ausgangsverstärker
28 zuzuführen, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, um einen der Spannungsdifferenz proportionalen
Ausgangsstrom IA zu erhalten. Bei Verwendung von MOS-Feldeffekttransistoren für
die Schalter S1 bis S6 läßt sich ein weitgehend leistungsloser Betrieb der Schaltung
gemäß Fig. 2 erreichen, wobei die Verstärker 36, 38 und 42 vergleichsweise billige,
handelsübliche Operationsverstärker in Form integrierter Schaltungen sein können.
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Bevorzugte Einsatzmöglichkeiten für die Meßschaltung gemäß der Erfindung
werden nachstehend anhand der Figuren 3a bis 3j näher erläutert. Von diesen Figuren
zeigt die Fig. 3a eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer Zwei-Leiter-Temperaturmeßschaltung
mit einem temperaturabhängigen Widerstand RT,
dessen Zuleitungen
jeweils den Leitungswiderstand RL besilan, wobei ferner ein Widerstand NP zum Einstellen
des Nullpunkts vorgesehen ist. Die Temperaturmeßschaltung gemäß Fig. 3a bzw. der
dort dargestellte Teil derselben besitzt Anschlüsse 10 bis 16, die den Anschlüssen
10 bis 16 der Meßschaltung gemäß Fig. 1 entsprechen bzw. mit diesen zu verbinden
sind. Ferner sind zwei Anschlüsse 17 und 19 vorgesehen, von denen der Anschluß 19
mit dem positiven Pol (+) einer Speisespannungsquelle verbunden ist (Fig. 1), während
der Anschluß 17 mit dem Ausgang der gesteuerten Stromquelle 30 verbunden bzw. zu
verbinden ist. Die gesteuerte Stromquelle 30 liefert den Strom für d en t den temperaturabhängigen
Widerstand RT, wobei dieser Strom in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit vom
Ausgangsstrom IA bzw. einem davon abgeleiteten Strom so gesteuert wird, daß die
Nichtlinearität des Temperaturverhaltens des Widerstandes RT ausgeglichen wird.
Die Anschlüsse 10 bis 16, 17 und 19 können in einer Steckereinheit zusammengefaßt
sein, über welche die eigentliche Meßschaltung 1 mit den in Fig. 3a bis 3j dargestellten
Schaltkreisteilen verbindbar ist.
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Die Fig. 3b bis 3j zeigen der Darstellung gemäß Fig. 3a entsprechende
Darstellungen folgender Schaltungen: Drei-Leiter-Widerstandsmeßschaltung (Fig. 3b),
Vier-Leiter-Widerstandsmeßschaltung (Fig. 3c), Temperaturdifferenz-Neßschaltungmit
zwei temperaturabhängigen Meßwiderständen RT und R'T (Fig. 3d) jeweils in Zwei-Leiterschaltung,
Temperaturdifferenz-Meßschaltung mit zwei temperaturabhängigen Meßwiderständen RT,
R'? jeweils in Vier-Leiterschaltung (Fig. 3e), Temperaturmeßschaltung mit Thermoelement
TH und mit Nullpunktabsenkung oder -anhebung (Fig. 3f), Temperaturmeßschaltung mit
Thermoelement TH in Brückenschaltung mit einem Temperaturausgleichswiderstand RA
und Nullpunktanhebung oder -absenkung (Fig. 3g), Widerstandsferngeber mit Potentiometer
P (Fig. 3h), Spannungsmeßschaltung bzw. Schaltung zur Messung der Spannungssumme
oder -differenz (Fig. 3i), und Strommeßschaltung bzw. Meßschaltung zur Messung
der
Stromsumme oder -differenz (Fig. 3j), wobei der zu messende Strom bzw. einer der
zu messenden Ströme mit I bezeichnet ist.
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Man erkennt aus den Fig. 3a bis 3j, die im übrigen aus sich selbst
verständlich sind, daß die erfindungsgemäße Meßschaltung gemäß Fig. 1 außerordentlich
vielseitig einsetzbar ist, was für die Lagerhaltung, für die Produktion und nicht
zuletzt für die automatische Oberwachung einer Vielzahl von Meßstellen in einer
Meßwarte entscheidende Vorteile mit sich bringt. Es steht damit eine Meßschaltung
zur Verfügung, mit der man sich die bereits sehr weit fortgeschrittene Normung der
eigentlichen Meßteile von Temperaturmeßeinrichtungen in verstärktem Maße zunutze
machen kann. Dabei versteht es sich, daß Vorsorge getroffen wird, damit die gesteuerte
Stromquelle nur dann aktiviert wird,wenn dies zur Linearisierung der Meßergebnisse
erforderlich oder wünschenswert ist. In anderen Fällen, wie z.B. bei einer reinen
Spannungsmessung, wird der Anschluß 17 mit einer geeigneten Spannungs-bzw. Stromquelle
verbunden. Im übrigen deuten die gestrichelt eingezeichneten Leiter in den Fig.
3g und 3f die Möglichkeit einer Spannungsumpolung an.
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Abschließend sei noch einnal besonders auf die Temperaturdifferenz
Meßschaltung gemäß Fig. 3c verwiesen, in der zwei temperaturabhängige Meßwiderstände
RU und R' T vorgesehen sind, die beide in Vier-Leiterschaltung geschaltet sind,
um dem Einfluß der Leitungswiderstände RL zu eliminieren bzw. auf ein Minimum zu
reduzieren.
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Obwohl die Meßwiderstände RT, R'T, die vom gleichen Strom durchflossen
werden, in dieser Schaltung keinen gemeinsamen Bezugspunkt besitzen,, und zwar wegen
der zwei zwischen ihnen liegenden Leitungswiderstände RL, liefert die erfindungsgemäße
Meßschalung einwandfreie Meßergebnisse hinsichtlich der Spannungsdifferenz der über
den beiden Meßwiderständen RT,R'T abfallenden Spannungen.
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Beide Spannungen werden nämlich von den zugeordneten Zerhackern unmittelbar
und unabhängig von einem Bezugspotential abgetastet und den Differenzverstärkern
zugeleitet.