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Schaltungsanordnung bei Widerstandsmessung.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Beseitigung
des Einflusses des Widerstandes der das Meß-.
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objekt mit dem Meßschaltkreis verbindenden Leitungen bei Widerstand
sme ssungen.
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Bei Widerstandsmessung mit einer herkömmlichen Wheatstone-Brücke
setzt sich der gemessene Widerstand aus der Summe des Widerstandes des Meßobjektes
sowie des Widerstandes in den das Meßobjekt mit dem Meßschaltkreis verbindenden
Leitungen zusammen. Um den Leitungswiderstand zu-eliminieren, kann man eine an sich
bekannte sogenannte Dreileiterschaltung verwenden.
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Eine solche Dreileiterschaltung ist in Fig. 1 der beiliegenden
Zeichnung
dargestellt. Das Meßobjekt X wird dort an die MeP-brücke und Spannungsquelle E mit
drei Leitungen m so angeschlossen, daß eine Leitung m1 in den X-Zweig und eine Leitung
m2 in den r-Zweig eingeschleift wird. Die dritte Leitung m3 dient dem Anschluß der
Brücke an die Spannungsquelle E. Man verschiebt dabei soz. den AnschluPpunkt der
Spannungsquelle E vom Brückenwiderstand r zum Meßobjekt X. Ist die Brückendiagonale
AB offen, wird die Diagonalspannung UAB = E1 a (a+X+mg (a+r+m) (1) wobei E1 die
Speisespannung E abzüglich des Spannungsabfalles in der Anschlußleitung m ist. Der
Ausgleichpunkt, wo X = ist völlig unbeeinflußt von den Leitungswiderständen, aber
in der Formel für die Diagonalspannung kommt m als ein Korrekturglied in E1 und
im Nenner hinzu.
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Der vermutlich gebräuchlichste industrielle Einsatz der Widerstandsmessung
dürfte in der Temperaturmessung mit Widerstandsgebern liegen. Die Widerstandsgeber
bestehen dabei aus einem temperaturempfindlichen Widerstand, der innerhalb des vorgesehenen
Temperaturbereiches eine ausreichende Widerstandsänderung und Linearität aufweist.
Der Meßwiderstand wird als der vierte Widerstand einer Brückenschaltung verwendet.
Dabei erfolgt in der Praxis fast nie eine manuelle Brückenabstimmung, sondern die
Brücke wird stattdessen im Nullpunkt des Meßbereiches abgestimmt, die entsprechende
Spannung verstärkt und als MeP-spannung zur Anzeige der Temperatur benutzt.
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Um hierbei den Einfluß des Leitungswiderstandes der obengenannten
Dreileiterschaltung so gering wie möglich zu halten, sollten die Brückenwiderstände
a viel größer als der Widerstand X des Meßobåektes bzw. als der zugehörige Vergleichswiderstand
r sowie der Leitungswiderstand m sein. Dann läßt sich obige Gleichung (1) wie folgt
vereinfachen UAB = E (1 - X + r - 4 . m . (X - r) (2) a a
In dieser
Gleichung kann man das Glied X+r beim a Kalibrieren berücksichtigen, weshalb es
keine Meßfehler veranlaß. Das Glied 4m verursacht dagegen Meßfehler, und dieser
Fehler wird 100 4 min Prozent des aktuellen Meßwertes (X - r). Bei hohem Leitungswiderstand
m wird daher der MeP-fehler verhältnismäßig groß.
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Als praktisches Beispiel sei erwähnt, daP mit einem Platinwiderstandsgeber
"Pt 100" mit R = 100 Q bei 0 0C man in der Regel keinen Geberstrom unter 2-3 mA
und keine Brückenspannung über 10 V wünscht. Der Widerstand a wird dann höchstens
3-5 kOhm.
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Der Leitungswiderstand m liegt dabei oft unter 10 Ohm, kann aber bei
ausgeprägten Fernmessungen sehr wohl über 100 Ohm betragen.
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Der entsprechende Meßfehler liegt dann zwischen 0,8-8 , und wenigstens
dessen obere Grenze ist als verhältnismäßig hoch und meist unannehmbar zu bezeichnen.
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Meßbrücken nach Fig. 1 werden oft zur Signalabgabe beim Erreichen
oder Ueberschreiten einer gewissen vorgegebenen Temperatur eingesetzt. Zwischen
den AnschluPpunkten A und B wird dann ein Verstärker angeschlossen, der durch die
Diagonalspannung gesteuert ist und seinerseits ein Relais, eine Lampe oder andere
Signalvorrichtung beaufschlagt. Die Signaltemperatur wird durch den Widerstand r
bestimmt, der einstellbar ausgeführt ist. Als Signalbedingung wählt man das Brückengleichgewicht,
so daß die Signaltemperatur völlig unabhängig vom Leitungswiderstand m wird. Verwendet
man den Geber gleichzeitig zu Temperaturmessung, wird der Meßwert indessen leitungsabhängig.
Erfolgt die Messung so, daß man die Geberspannung zwischen den Punkten B und C in
Fig. 1 erfat, vermittelt die Gleichung (2) eine ungefähre Auffassung über den Fehler,
wenn man r = 0 einsetzt. Man erhält somit einen prozentuellen Fehler, der sich auf
den Meßwiderstand X anstelle des geringeren Wertes X - r bezieht.
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Um den Vergleichswiderstand r auf die rechte Signaltemperatur einzustellen,
kann man entweder den Vergleichswiderstand r mit einer Temperaturskala versehen
oder den Meßwiderstand X beispielsweise gegen einen Dekadenwiderstand beim Einstellen
austauschen.
In Systemen mit vielen Ueberwachungspunkten kann der Einsatz beider Methoden unpraktisch
werden, weshalb man statt dessen zu einer sog. Temperaturvorgabegreift. Mit Hilfe
einer äußeren, einstellbaren Spannungsquelle wird den Geberanschlüssen B und C der
Meßbrücke jeweils die gleiche Spannung zugeführt, die der Geber bei der vorgesehenen
Signaltemperatur haben soll, wonach man den Vergleichswiderstand r so einstellt,
daß man ein Signal erhält. Man miPt die Spannung zweckmäßigerweise mit einem Instrument
mit Temperaturskala. Die Methode läßt sich mit gutem Erfolg verwenden, wenn die
Geber mit zwei Leitern angeschlossen sind (wobei die Leitungswiderstände auf einen
gewissen Wert einjustiert sind), führt aber zu sehr großen Fehlern bei Dreileiterschaltungen.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die obengenannten Schwächen
zu beseitigen und eine Schaltungsvorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe man bei
Widerstandsmessungen den EinfluP des Leitungswiderstandes in den das Meßobåektmit
dem Meßschaltkreis verbindenden Leitungen eliminieren kann.
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Dies wird erfindungsgemäP dadurch erreicht, daP die eine Seite des
Mepobjektes über eine erste Leitung mit dem einen Pol einer Stromquelle und die
andere Seite des Meßobåektes teils über eine zweite Leitung mit demselben Leitungswiderstand
wie die erste Leitung mit dem zweiten Pol der Stromquelle und teils über eine dritte
Leitung mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers verbunden
ist, daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers teils über einen ersten
Widerstand mit dem dem MePobjekt abgewandten Endpunkt der zweiten Leitung und teils
über einen zweiten, gleich großen Widerstand mit dem Ausgang des Operationsverstärkers
verbunden ist, sowie daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zwischen
dessen Ausgang und dem dem Meßobåekt abgewandten Endpunkt der ersten Leitung abgegriffen
wird und dem Widerstand des MeP-objektes entspricht.
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Nach einer Weiterentwicklung der Erfindung ist ein zusätzlicher Widerstand
in Reihe mit der zweiten Leitung vorgesehen und teils über den ersten Widerstand
mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers und teils
mit der Stroquelle verbunden, wobei die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
§Wll wird,- wenn die Resistenz des Meßobjektes gleich der gewählten Resistenz des
zusätzlichen Widerstandes ist Bei dieser besonderen Ausführungsform kann der zusätzliche
Widerstand auch aus einem zweiten Meßobjektbestehen und der Widerstandsunterschied
zwischen den beiden Meßobjekten gemessen werden. Beispielsweise können die beiden
MePobjekte aus zwei Widerstandsgebern für Teperaturmessuflg von Vorlauf-bzw. Rücklauftemperatur
bestehen Da der Ausgang des Operationsverstärkers nur ein erhält nismäßig schwaches
Signal abgibt,kann zweckmäßigerweise wie an sich bekannt ein zweiter Verstärker
an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers angeschlossen sein und dessen Spannungspegel
verstärken. Diesem zusätzlichen Verstärker kann ein Transistor nachgeschaltet werden,
der die Spannung des Ausgangssignales in einen Strom umwandelt.
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Der zusätzliche Verstärker arbeitet mit einer gewissen Verstärkungskennlinie,
die sich innerhalb gewisser Grenzen wählen läßt. Es ist hierbei nach einer weiteren
vorgezogenen Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig, diesen Verstärker mit einer
Kennlinie zu wählen, die einen nicht linearen Verlauf der Widerstandsänderungen
des Meßobjektes bei unterschiedlichen Temperaturen kompensiert. Weitere Kennzeichen
gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die Erfindung sei nun näher anhand einiger auf beiliegenden Zeichnungen
wiedergegebener schematischer Ausführungsbei spiele erläutert. Hierbei zeigt Fig.
1 die einleitend beschriebene vorbekannte Dreileiterschaltungsanordnung zum Eliminieren
der Leiterwiderstände, Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Dreileiterschaltung
und Operationsverstärker, Fig. 3 die Ausführungsform nach Fig. 2 mit einem zusätzlichen
Widerstand in Reihe mit der zweiten Leitung,
Fig. 4 eine Schaltungsanordnung
nach Fig. 3 mit einem zweiten Verstärker und nachgeschaltetem Transistor, Fig. 5
ein schematisches Schaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Temperaturmessung
mit einem äußeren v Verstärker und Temperaturvorgabe, Fig. 6 den Gegenstand der
Fig. 4 mit nachgeschaltetem Korrektionsnetz in normaler Ausführung und Fig. 7 eine
abgewandelte und einstellbare Korrektionsanordnung, wobei der zweite Verstärker
bei der Korrektion vervendet wird.
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Ein Operationsverstärker F1 hat bei der Ausführung nach Fig. 2 zwei
Eingänge, und zwar einen invertierenden Eingang "-" und einen nicht invertierenden
Eingang "+". Der Operationsverstärker hat einen Spannungsausgang mit niedriger -Impedanz.
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Die Eingangsströme sind sehr gering, d.h. praktisch gleich Null, und
ein Spannungsunterschied zwischen den Eingängen wird sehr kräftig (ca. 100 000 mal)
am Ausgang verstärkt, was praktisch mit unendlicher Verstärkung gleichzustellen
ist; Infolgedessen ist eine Form von Rückführung (negative Rückkopplung) zwischen
Ausgang und invertierendem Eingang erforderlich, damit der Verstärker auch wirklich
arbeiten kann. Nach Fig. 2 erfolgt die Rückführung durch die beiden untereinander
gleich großen Widerstände R1 und R2, von denen der eine über zwei Leiter der Dreileiterschaltung
zwischen den beiden Eingängen des Verstärkers und der andere zwischen Ausgang und
invertierendem Eingang des Verstärkers vorgesehen ist.
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Das MePobjekt, z.B. ein Temperaturgeber X, ist an einen Konstantstromgenerator
E angeschlossen und der Strom A-X-C ist i". Die Leitung X-B ist gemäß oben stromlos,
und von Punkt C aus gerechnet erhält man folgende Spannungen: Spannung an B UB =
i (X+m) Spannung an A UA = i (X+2 m) Spannung am Eingang tr~ll U = U+ = UB Der Spannungsabfall
am Widerstand R1 zwischen A und dem invertierenden Eingang wird dann (wobei R -
R1 = R2)
i1 . R1 = i1 . R = UA-UB = i . m (3) somit i1 . R = i m
d.h. derselbe wie zwischen den Endpunkten der Leitung m. Denselben Spannungsabfall
erhält man zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang. Die in Fig. 2 und
3 als "Uut" bezeichnete Ausgangsspannung Uaus wird Uaus = U- - i1 .R2 = U-- i1 .
R = UB - i . m Beim Einsetzen von UB = i (X+m) erhält man Uaus = i (X+m) - i m und
somit Uaus =i.X (4) In der Gleichung (4) ist der Strom "i" des Meßkreises geringer
als der Generatorstrom "i0" der Stromquelle E, d.h.
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i < i0, da i0 = i + i1 wobei gemäP (3) i1 . R = i . moder 11 =
i m:R. Dies ergibt: i0 = i + i .m/R = i (1 + m/R) (5) Die Gleichungen (4) und (5)
ergeben zusammen
Wie groP man den Widerstand R wählen kann.,ist von den Eigenschaften des verwendeten
Operationsverstärkers F1 abhängig.
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Mit einfachen Verstärkern kann R = 10-50 kQund mit etwas- aufwendigeren
Verstärkertypen R = 0,1-1 MQ sein. Ein Vergleich zwischen den Gleichungen (5) und
(2) ergibt, daP sich der Binfluß des Leitungswiderstandes leicht um 1-2 Größenordnungen
verringern läßt.
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Sieht man gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3 einen weiteren Widerstand
r in Reihe mit der zweiten Leitung X-A vor, wird die Ausgangsspannung Uaus = i (X
- r).
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Der zusätzliche Widerstand r kann beispielsweise zum Nullstellen
des MePbereiches bei Temperaturmessung Verwendung finden, kann aber auch ein Widerstandsgeber
beim Messen der Temperaturdifferenz zwischen zwei Meßobåekten darstellen, hier X
bzw. r.
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Bei Temperaturmessung ist das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers
F1 zu verstärken, um ein Meßsignal mit geeignetem Spannungs- oder Stromwert zu erhalten,
z.B. 0-5 V bzw. 0-20 mA. Fig. 4 zeigt als Beispiel einen kompletten erfindungsgemäßen
MePverstärker, wobei ein zweiter Verstärker F2 das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers
F1 auf etwa 0-5 V verstärkt, während ein nachgeschalteter Transistor T die Spannung
am Ausgang des zweiten Verstärkers F2 in einen Strom von ca. 0-20 mA umwandelt.
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Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung mit Signalabgabe.
An den Operationsverstärker Fl ist ein weiterer Verstärker F2 angeschlossen, und
dieser wechselt zwischen negativer und positiver Ausgangsspannung, d.h. zündet die
Signalleuchte, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers F7 Null durchläuft
und positiv wird. Im Geberkreis ist ein Widerstand r zur Einstellung der Signaltemperatur
vorhanden. Die Signalbedingung wird dann Uaus = i -(X -r) -> O, was X -> r
bedeutet.
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Wie bei einer abgestimmten Brücke wird der Signalpunkt unabhängig
vom Meßstrom bzw. der Brückenspannung.
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Fig. 5 zeigt auch, wie die Temperaturmessung mit einem äußeren Verstärker
und die Temperaturvorgabe zu erfolgen hat.
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Ein Meßverstärker F3 gleicher Art wie der erste Operationsverstärker
F1 wird über A - B - C angeschlossen, so daP er über den Geber X, nicht aber über
den Einstellwiderstand r miPt. Die Vorgabespannung E1 ist ebenfalls über A - C zu
legen, so daß sie den Einstellwiderstand r nicht beeinflußt. Diese Ausführung setzt
voraus, daP der Meßkreis aus einem Konstantstromgenerator gespeist wird. Es sind
aber auch andere Ausführungen möglich.
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Bei industrieller Temperaturmessung verwendet man immer das gleiche
Ausgangssignal, gewöhnlich 0-20 mA, für sämtliche Meßbereiche. Die Ausführung nach
Fig. 4 mit einem gesonderten Verstärker F2, der eine regelbare Verstärkung ergibt,
ist daher typisch. Beim Messen mit einer herkömmlichen Meßbrücke benötigt man nur
einen Verstärker. Der Nachteil zweier Verstärker nach Fig. 4 ist indessen nur scheinbar.
F2 öffnet nämlich eine vorteilhafte Möglichkeit, auf einfache Art und Weise Nichtlinearitäten
des Meßwertes zu korrigieren, was indessen in einem Gerät mit nur einem Verstärker
nicht möglich ist.
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Ein Temperaturgeber Pt 100 hat die Resistenz 100,0 Ohm bei OOC 100,0
+ 38,5 II II 1000C + 75,8 I1 " 2000C +147,1 11 II 400°0 Aus diesen Beispielen geht
hervor, da der Widerstand nicht völlig linear mit der Temperatur schwankt und daP
der Meßwert bei steigender Temperatur in zunehmendem Ausmaß zu korrigieren ist.
Die prozentuelle Korrektur innerhalb eines Bereiches von beispielsweise 0-400°C
ist etwa doppelt so groß wie im Bereich 0-200°C. Eine gute Korrekturvorrichtung
mup daher einen einstellbaren Korrekturfaktor haben.
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Die gebräuchlichste Korrekturmethode besteht darin, daP man den Meßbereich
in mehrere Intervalle aufteilt und für jedes Intervall jeweils einen korrigierenden
Widerstand an einem geeigneten Punkt zuschaltet. Je mehr Intervalle man verwendet,
desto genauer wird die Linearität.
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Das Einschalten der Widerstände erfolgt gewöhnlich durch Dioden,
die vom gesperrten in den leitenden Zustand überführt werden. Um das-Einschalten
ausreichend ausgeprägt zu machen, muß der Punkt, an welchem das inchalten erfolgt,
wenigstens ca. 5 V über dem Meßbereich schwanken. Bei einem Verstärker mit Stromausgang,
wie in Fig. 4, ist der Punkt e die einzige Stelle, an der eine Korrektur erfolgen
kann. Wenn re = 250 Q, wird Ue = 0-5 V, und wenn man den Korrekturwiderstand parallel
mit re
schaltet, steigt das Ausgangssignal um 0-20 mA, d.h. die
Korrektion wirkt in der gewünschten Richtung.
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Fig. 6 zeigt ein solches Korrektionsnetz. Die Widerstände b1 ...
b4 bilden einen Spannungsteiler mit den Einschaltpunkten 1, 2, 3 und 4 V. Die Korrekturwiderstände
kR1 ... kR4 werden nacheinander eingeschaltet, wenn die Spannung U e nach und nach
diese Werte erreicht (abgesehen vom Spannungsabfall der Dioden).
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Der Korrekturgrad ist durch das Verhältnis zwischen re und den Korrekturwiderständen
bestimmt. Wünscht man einen anderen Korrektionsgrad, muß man die Werte der Korrektionswiderstände
ändern, was eine sehr schwierige Prozedur bei seriemäßigerHerstellung von Meßgeräten
ist.
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Fig. 7 zeigt, wie man den erfindungsgemäß vorgesehenen zweiten Verstärker
F2 verwendenkann, um eine Korrektionsvorrichtung zu schaffen, bei der man den Korrektionsgrad
innerhalb sehr weiter Grenzen ändern kann. Die Einschaltdioden sind durch die Basis-Emitterdioden
der Transistoren T1 ... T4 ersetzt und die Transistoren auf der Kollektorseite zusammengeschaltet.
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In diesem Verbindungspunkt erhält man einen Strom, der gleich der
Summe der Ströme durch die Korrektionswiderstände ist. Der Kollektorstrom ergibt
über das Potentiometer P eine veränderliche Spannung, die zum MePwert von F1hinzu
addiert wird, den einen Eingang des Verstärkers F2 beaufschlagt und die vorgesehene
Korrektion ergibt.
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Bei der Schaltung nach Fig. 7 wird der direkte Einfluß dessen, daß
der Widerstand re den Korrekturwiderständen parallelgeschaltet wird, von sehr geringer
Bedeutung.
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Obgleich die Erfindung im Anschluß an einige Ausführungsformen derselben
beschrieben wurde, kann sie dennoch beliebig im Rahmen der nachstehenden Patentansprüche
abgewandelt werden.
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- Patentansprüche -