DE3136776C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Ausgleich eines Abgleichfehlers bei einer Wheatstone'schen Brückenschaltung mit annähernd gleich großen Widerständen in den vier Brückenzweigen.The invention relates to a method and a Circuit arrangement for compensating an alignment error with a Wheatstone bridge circuit with approximately equally large resistances in the four bridge branches.

Wenn eine Wheatstone'sche Brückenschaltung eine definierte, gleichbleibende Verstimmung aufweisen soll, d. h., daß ihrer Meßdiagonalen eine konstante Spannung entnommen werden kann, so müssen die Widerstände in den einzelnen Brückenzweigen sehr konstant sein.If a Wheatstone bridge circuit defines a defined should have constant detuning, d. H., that a constant voltage is taken from their measuring diagonals the resistances in the individual Bridge branches must be very constant.

Als Anwendungsbeispiel für eine derartige Brückenschaltung wird ein Wägezellen-Phantom genannt, mit dessen Hilfe die elektronische Auswägeeinrichtung einer elektromechanischen Waage geprüft werden kann. Die für diesen und auch andere denkbare Anwendungsfälle maßgebenden Brückenverstimmungen sind sehr gering. Derartige Brückenschaltungen werden mit Widerständen verwirklicht, die für alle Brückenzweige in der gleichen Größenordnung liegen.As an application example for such a bridge circuit is called a load cell phantom, with its Help the electronic weighing device of an electromechanical Balance can be checked. The one for this and also other conceivable applications Bridge upset is very low. Such bridge circuits are realized with resistors that are for all bridge branches are of the same order of magnitude.

Um die Langzeitkonstanz derartiger Brückenschaltungen zu gewährleisten, mußten in den Brückenzweigen hochwertige Widerstände mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten und entsprechend hoher Langzeitkonstanz benutzt werden. Die Widerstände waren unter Umständen paarweise auszusuchen und zu altern. Eventuell mußte die Brückenschaltung mit einer zusätzlichen Temperaturkompensation des Brückennullpunktes durch spezielle Kupferabgleichwiderstände ausgestattet werden. To ensure the long-term constancy of such bridge circuits had to ensure high quality in the bridge branches Resistors with very low temperature coefficient and correspondingly high long-term consistency. The Under certain circumstances, resistances had to be selected in pairs and to age. Possibly the bridge circuit had to go an additional temperature compensation of the bridge zero point equipped with special copper trimming resistors will.  

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung besteht darin, ein Meßverfahren zu finden, das die Anwendung der sehr aufwendigen, obengenannten Maßnahmen überflüssig macht.The problem underlying the invention is in finding a method of measurement that would apply the very complex measures mentioned above are superfluous makes.

Die Lösung der Aufgabe ist in einem eingangs beschriebenen Verfahren zu sehen, bei dem gemäß der Erfindung die im kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 niedergelegten Maßnahmen getroffen sind.The solution to the problem is described in one at the beginning To see method in which according to the invention laid down in the characterizing feature of claim 1 Measures are taken.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich eine an der Meßdiagonalen einer Wheatstone'schen Brückenschaltung auftretende Fehlerspannung infolge eines nicht genauen Abgleichs der Brücke umdreht, wenn die Diagonalanschlüsse der Brücke vertauscht werden.The invention is based on the knowledge that there is one the measuring diagonals of a Wheatstone bridge circuit occurring error voltage due to an inaccurate Adjustment of the bridge turns over when the diagonal connections the bridge can be exchanged.

Einer Literaturstelle auf Seite 560 des Buches "Elektrische Messungen" von Skirl, Walter De Gruyter-Verlag 1936, 2. Auflage, ist zu entnehmen, daß die Meßempfindlichkeit einer Brückenschaltung gesteigert werden kann, wenn der im zu messenden Widerstand fließende Strom vergrößert wird. Als Mittel zur Vergrößerung des Stromes wird in der Literaturstelle vorgeschlagen, die Batterie und das Galvanometer der Meßbrücke zu vertauschen. Dabei wird davon ausgegangen, daß bei einer abgeglichenen Brücke das Vertauschen der Meßdiagonalen mit der Speisediagonalen keine Änderung des Abgleichs bewirkt. Die Erscheinung, daß sich das eine Restverstimmung anzeigende Diagonalsignal in seinem Vorzeichen umkehrt, wird in der Literaturstelle nicht genannt.A reference on page 560 of the book "Electrical Measurements "by Skirl, Walter De Gruyter-Verlag 1936, 2nd edition, it can be seen that the measuring sensitivity a bridge circuit can be increased if the current flowing in the resistance to be measured increases becomes. As a means of increasing the current is in the Literature suggested the battery and the galvanometer to swap the measuring bridge. Thereby of it assumed that the swapping in a balanced bridge of the measuring diagonals with the feed diagonal none Change of adjustment causes. The phenomenon that the diagonal signal indicating a residual detuning in its sign is reversed in the reference not known.

Zweckmäßig wird die Umschaltung der Brückendiagonalen alternierend vorgenommen und das so entstehende Mischsignal über eine Filterschaltung geglättet. Der eventuell noch vorhandene Restfehler beträgt dann nur noch Bruchteile von Promille der Einzelwerte.The switching of the bridge diagonals expediently alternates made and the resulting mixed signal smoothed by a filter circuit. The possibly still existing residual errors are then only fractions of per thousand of the individual values.

Wird die Brückenschaltung für eine definierte Nutzverstimmung nach dem Zeitteilerverfahren betrieben, so wird sinnvoll der Umschaltzyklus zur Vertauschung der Diagonalen mit dem Zeitteilerzyklus so synchronisiert, daß eine Halbperiode des Umschaltzyklus mindestens eine ganze Periode des Zeitteilerzyklus umfaßt.Will the bridge circuit for a defined detuning operated according to the time division method, so  the switching cycle to swap the diagonals makes sense synchronized with the time divider cycle so that a Half period of the switching cycle at least one entire period of the time divider cycle.

Unter "Zeitteilerbetrieb" wird dabei verstanden, daß eine Brückenschaltung durch getaktetes Parallelschalten eines zusätzlichen Widerstandes zu mindestens einem Brückenzweig der Brücke zeitweilig verstimmt wird. Die ausgenutzte Verstimmung wird durch das Taktverhältnis der Ein- und Ausschaltimpulse bestimmt."Time divider operation" means that a Bridge connection by clocked parallel connection of one additional resistance to at least one bridge branch the bridge is temporarily out of tune. The exploited Upset is caused by the clock ratio of the input and switch-off pulses determined.

Mit Vorteil wird das Verfahren nach der Erfindung für den Betrieb eines Wägezellen-Phantoms vorgesehen.The method according to the invention is advantageously used for Operation of a load cell phantom provided.

Eine Schaltungsanordnung zur Ausübung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß allen vier Diagonalpunkten einer Wheatstone'schen Brückenschaltung Umschalter zugeordnet sind, wobei bewegliche Kontaktzungen oder dergleichen jeweils zweier einander gegenüberliegender Umschalter mit einem Paar Anschlüssen zur Zuführung der Speisespannung bzw. Entnahme der Meßdiagonalspannung fest verbunden sind und von zwei Umschaltkontakten jedes Umschalters jeweils der eine an den ihm zugeordneten Diagonalpunkt und der andere an einen in einem einheitlichen Umlaufsinn benachbarten Diagonalpunkt angeschlossen ist.A circuit arrangement for performing the method is characterized in that all four diagonal points a Wheatstone bridge switch assigned are, movable tongues or the like two opposite switches each with a pair of connections for supplying the supply voltage or removal of the measurement diagonal voltage firmly connected and of two changeover contacts of each changeover switch one at the diagonal point assigned to it and the other to one in a unified sense of rotation adjacent diagonal point is connected.

Zum Betrieb der Brückenschaltung nach dem Zeitteilerverfahren sind die Kontaktzungen zweier einander gegenüberliegender Umschalter jeweils über einen Widerstand mit einem beweglichen Kontaktelement je eines weiteren Umschalters für die Speisespannungsanschlüsse verbunden.To operate the bridge circuit using the time divider method are the contact tongues of two opposite one another Switches with a resistor a movable contact element each another switch connected for the supply voltage connections.

Eine Zeitsteuereinheit besorgt dabei die synchronisierte und verschachtelte Steuerung der Umschalter für die Diagonalenvertauschung und der weiteren Umschalter für den Zeitteilerbetrieb.A time control unit takes care of the synchronized and nested control of the switches for diagonal swapping and the other switch for the Time division operation.

An einer Figur, die ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt, wird die Erfindung näher erläutert.On a figure, which is an embodiment of a circuit arrangement to practice the method according to the invention shows, the invention is explained in more detail.

In der Figur sind vier Widerstände 1 bis 4 nach Art einer Wheatstone'schen Brückenschaltung miteinander verbunden. Zwischen den Widerständen werden an Diagonalpunkten 5 und 7 bzw. 6 und 8 eine Speisespannung U _S bzw. Meßdiagonalspannungen U _Da , U _Db zugeführt bzw. abgenommen. Die Speisespannung bzw. die Meßdiagonalspannungen werden den Brückendiagonalpunkten 5 bis 8 nicht unmittelbar, sondern über Umschalter 9 und 11 bzw. 10 und 12 zugeführt. Von jeweils zwei Umschaltkontakten a und b der Umschalter 9 bis 12 sind alle Kontakte a direkt mit den zugeordneten Diagonalpunkten 5 bis 8 der Brücke verbunden und die Kontakte b an einem für alle Kontakte b in einem einheitlichen Umlaufsinn benachbarten Diagonalpunkt angeschlossen. So liegt der Umschaltkontakt 9 b am Diagonalpunkt 6, der Umschaltkontakt 10 b am Diagonalpunkt 7, der Umschaltkontakt 11 b am Diagonalpunkt 8 und der Umschaltkontakt 12 b am Diagonalpunkt 5. Die die Meßdiagonalspannungen U _Da und U _Db abführenden Leitungen 15 und 16 liegen an einer beweglichen Schaltzunge des Umschalters 9 bzw. des Umschalters 11. Speisespannungszuführungen 13 und 14 liegen an einer beweglichen Schaltzunge der Umschalter 10 bzw. 12. Für den Zeitteilerbetrieb der Wheatstone'schen Brücke nach der Figur sind zwei Widerstände 19 und 20 vorgesehen, die an ihrem einen Ende an die beweglichen Zungen der Umschalter 9 und 11 und mit ihrem anderen Ende an beweglichen Zungen von Umschaltern 17 und 18 liegen. Die Umschalter 17 und 18 weisen jeweils zwei Umschaltkontakte 17 c und d bzw. 18 c und d auf, die ihrerseits an den Zuleitungen 13 und 14 für die Speisespannung U _S angeschlossen sind.In the figure, four resistors 1 to 4 are connected to one another in the manner of a Wheatstone bridge circuit. A supply voltage U _S or measurement diagonal voltages U _Da , U _{Db are} supplied or taken off at the diagonal points 5 and 7 or 6 and 8 between the resistors. The supply voltage or the measurement diagonal voltages are not supplied directly to the bridge diagonal points 5 to 8 , but rather via changeover switches 9 and 11 or 10 and 12 . From two changeover contacts a and b of the changeover switches 9 to 12 , all contacts a are connected directly to the assigned diagonal points 5 to 8 of the bridge and the contacts b are connected to a diagonal point adjacent to all contacts b in a uniform direction of rotation. The changeover contact 9b is located at the diagonal point 6 , the changeover contact 10b at the diagonal point 7 , the changeover contact 11b at the diagonal point 8 and the changeover contact 12b at the diagonal point 5 . The lines 15 and 16 discharging the measurement diagonal voltages U _Da and U _Db are located on a movable switching tongue of the changeover switch 9 and the changeover switch 11 . Power supply lines 13 and 14 are located on a movable switching tongue of the changeover switches 10 and 12, respectively. For the time division operation of the Wheatstone bridge according to the figure, two resistors 19 and 20 are provided, which are at one end to the movable tongues of the switches 9 and 11 and at the other end to the movable tongues of switches 17 and 18 . The changeover switches 17 and 18 each have two changeover contacts 17 c and d or 18 c and d , which in turn are connected to the supply lines 13 and 14 for the supply voltage U _S.

Wenn die Brückenwiderstände 1 bis 4 Widerstandswerte R₁, R₂, R₃ und R₄ haben, dann lassen sich die Diagonalspannungen U _Da und U _Db durch die folgenden Ausdrücke darstellen:If the bridge resistors have 1 to 4 resistance values R ₁, R ₂, R ₃ and R ₄, then the diagonal voltages U _Da and U _{Db can be represented} by the following expressions:

Wird dann für die Widerstände R₂ bis R₄ gesetztIs then set for the resistors R ₂ to R ₄

R₂ = K₂ · R₁; R₃ = K₃ · R₁; R₄ = K₄ · R₁, R ₂ = K ₂ · R ₁; R ₃ = K ₃ · R ₁; R ₄ = K ₄ · R ₁,

so wird aus den Diagonalspannungenthis is how the diagonal stresses become

Die relative Differenz der Diagonalspannungen beträgtThe relative difference in the diagonal stresses is

Es ist am letzten Ausdruck abzulesen, daß die relative Differenz, wenn sich die Werte K₂ bis K₄ nicht sehr von 1 unterscheiden, eine sehr kleine Zahl ergibt. Praktische Durchrechnungen ergeben Zahlen in der Größenordnung von 10⁻⁵. Diese Zahlen stellen den verbleibenden Verstimmungsfehler der Brücke dar. An ihrer verschwindenden Größe ist zu erkennen, daß mit Hilfe des Verfahrens die bisher üblichen hochwertigen Festwiderstände in den Brückenzweigen durch weniger aufwendige konstante Widerstände ersetzt werden können, weil der Verstimmungsfehler durch die Umschaltung der Diagonalen erheblich verkleinert wird.It can be seen from the last expression that the relative difference, if the values K ₂ to K ₄ are not very different from 1, gives a very small number. Practical calculations result in numbers in the order of 10⁻⁵. These numbers represent the remaining misalignment errors of the bridge. Their vanishing size shows that the method can be used to replace the previously customary high-quality fixed resistors in the bridge branches with less complex constant resistors, because the detuning error is significantly reduced by switching the diagonals becomes.

Claims (7)

1. Verfahren zum Ausgleich eines Abgleichfehlers bei einer Wheatstone'schen Brückenschaltung mit annähernd gleich großen Widerständen in den vier Brückenzweigen, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßdiagonalspannung die Summe einer ersten (U _Da ) und einer nach relativer Drehung der rechtwinklig aufeinanderstehenden Brückendiagonalen gegenüber Meß- und Speiseanschlüssen um 90° gewonnenen zweiten Meßdiagonalspannung (U _Db ) dient.1. A method of compensating for an adjustment error in a Wheatstone bridge circuit with approximately equal resistances in the four bridge branches, characterized in that the measurement diagonal voltage is the sum of a first (U _Da ) and one after relative rotation of the bridge diagonals which are at right angles to one another with respect to measurement and The second measurement diagonal voltage (U _Db ) obtained from the supply connections serves for 90 °. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Brückendiagonalen (5, 7; 6, 8) alternierend erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the switching of the bridge diagonals ( 5, 7; 6, 8 ) takes place alternately. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer durch Zeitteilung verstimmten Wheatstone'schen Brücke der Umschaltzyklus mit dem Zeitteilerzyklus so synchronisiert ist, daß eine Halbperiode des Umschaltzyklus mindestens eine ganze Periode des Zeitteilerzyklus umfaßt.3. The method according to claim 2, characterized in that at a time division detuned Wheatstone bridge of the switching cycle is synchronized with the time divider cycle so that a half period of the switching cycle is at least one entire period of the time divider cycle. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Betrieb eines Wägezellen-Phantoms vorgesehen ist.4. The method according to claim 3, characterized in that it is necessary for the operation of a Load cell phantoms is provided. 5. Schaltungsanordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß allen vier Diagonalpunkten (5, 6, 7, 8) einer Wheatstone'schen Brückenschaltung Umschalter (9, 10, 11, 12) zugeordnet sind, wobei bewegliche Kontaktzungen jeweils zweier einander gegenüberliegender Umschalter (9, 11; 10, 12) mit einem Paar Anschlüssen (13, 14; 15, 16) zur Zuführung der Speisespannung (U _S ) bzw. Entnahme der Meßdiagonalspannung (U _Da , U _Db ) fest verbunden sind und von zwei Umschaltkontakten (a, b) jedes Umschalters jeweils der eine an den ihm zugeordneten Diagonalpunkt und der andere an einen in einem einheitlichen Umlaufsinn benachbarten Diagonalpunkt angeschlossen ist.5. Circuit arrangement for carrying out the method according to claim 1 or 2, characterized in that all four diagonal points ( 5, 6, 7, 8 ) of a Wheatstone bridge circuit switch ( 9, 10, 11, 12 ) are assigned, with movable contact tongues two opposite switches ( 9, 11; 10, 12 ) with a pair of connections ( 13, 14; 15, 16 ) for supplying the supply voltage (U _S ) or removing the measurement diagonal voltage (U _Da , U _Db ) are firmly connected and of two changeover contacts (a, b) of each changeover switch, one is connected to the diagonal point assigned to it and the other to a diagonal point adjacent in a uniform direction of rotation. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Zungen zweier einander gegenüberliegender Umschalter (9, 11) jeweils über einen Widerstand (19, 20) mit einem beweglichen Kontaktelement je eines weiteren Umschalters (17, 18) für die Speisespannungsanschlüsse (13, 14) verbunden sind.6. Circuit arrangement according to claim 3 or 5, characterized in that tongues of two mutually opposite switches ( 9, 11 ) each via a resistor ( 19, 20 ) with a movable contact element each one further switch ( 17, 18 ) for the supply voltage connections ( 13 , 14 ) are connected. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Zeitsteuereinheit zur gegenseitig synchronisierten und verschachtelten Steuerung der Umschalter (9 bis 12) und der weiteren Umschalter (17, 18).7. Circuit arrangement according to claim 6, characterized by a time control unit for mutually synchronized and interleaved control of the changeover switch ( 9 to 12 ) and the further changeover switch ( 17, 18 ).