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Schaltungsanordnung zur Speisung eines Widerstands gebers
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines
Widerstandsgebers nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei der Erfassung physikalischer Größen unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen
oder Widerstandsthermometern ist es oft erforderlich, mehrere Einzelmessungen an
den verschiedensten Stellen des Meßobjektes durchzuführen. Zu diesem Zweck verwendet
man eine Meßstellenumschalteinrichtung, die die Meßwerte auch über lange Signalleitungen
mit großer Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit abfragt. In der DE-AS 23 14 754
ist eine elektrischeVielstellen-Meßeinrichtung in Brückenschaltung beschrieben,
bei welcher jede Meßstelle aus einem Meßbrückenzweig besteht und die einzelnen Meßstellen
mittels eines Speisespannungsschalters wahlweise an eine Speisespannungsquelle anschaltbar
sind. Zur Vermeidung der die Meßergebnisse verfälschenden Kontaktwiderstände von
Schaltern ist bei jeder Meßstelle zwischen dem Speisespannungsschalter und dem Meßwiderstand
ein Spannungsabgriff vorgesehen, welcher mit einer Regelanordnung verbunden ist.
Diese Anordnung regelt die Speisespannung derart nach, daß am Ort des Spannungsabgriffs
eine Spannung von vorgebbarem Betrag zur Verfügung steht.
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Die Anzahl der benötigten Speisespannungsschalter je Meß-
stelle
richtet sich nach Aufbau der jeweils verwendeten Brückenschaltung. Für den Anschluß
der mit Operationsverstärkern ausgerüsteten Umschalteinrichtung an den Meßverstärker
und die Brückenspeisespannung sind vier Leitungen erforderlich zuzüglich der für
die Spannungsversorgung der Operationsverstärker erforderlichen Zuführleitungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Speisung
eines Widerstandsgebers anzugeben, die eine von den Einflüssen der Beitungswiderstände
und der Kontaktwiderstände freie Speisespannung zur Verfügung stellt, wobei der
Aufwand an Schaltkontakten für die Übertragung der Speisespannung und der Meßspannung
minimal sein soll. Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Mitteln
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung bietet die Möglichkeit, daß
die Verbindungsleitung zwischen dem Widerstandsgeber, beispielsweise einer Brücke
mit Dehnungsmeßstreifen oder mit einem Widerstandsthermometer, und der Speiseschaltung
in 2-Leiter-, 3-Leiter- oder 4-Leiter-Schaltung ausgeführt werden kann. Addiert
man zwei Leitungen zur Messung der Spannung am Widerstandsgeber hinzu, im Beispiel
die Diagonalspannung einer Widerstandsbrücke, so kann die Verbindungsleitung zwischen
Widerstandsgeber und Speiseschaltung wahlweise aus 4, 5 oder 6 Adern bestehen. Da
die Speiseschaltung selbst über zwei Leitungen mit einem eingeprägten konstanten
Gleichstrom versorgt wird, braucht der Meßstellenschalter einer Vielstellen-Meßeinrichtung
immer nur vierpolig ausgeführt zu werden, wobei zwei Schalter für die Durchschaltung
der Meßgröße vorgesehen sind.
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Da die Übergangswiderstände des Meßstellenschalters nicht
in
die Messung eingehen, können wahlweise Relais oder Halbleiterschalter als Schalter
eingesetzt werden. Es ist ferner möglich, die Speiseschaltung in räumlicher Nähe
zum Widerstandsgeber zu installieren, da auch der Einfluß der ffbergangswiderstände
-der leitungen zwischen der zentralen Spannungsmeßeinrichtung und der Speiseschaltung
vernachlässigbar ist . Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann jede Konstantspannungsversorgung auf eine 4-adrige Messung zurückgeführt werden,
wobei die Leitungslänge in weiten Grenzen ohne Einfluß auf das Meßergebnis ist.
Wird in der Speiseschaltung eine Diode als Verpolungsschutz vorgesehen, so lassen
sich zwei verschiedene Speiseschaltungen, die über getrennte Meßstellen-Schalter
angewählt werden, mit vertauschter Polarität mit dem gleichen Widerstandsgeber verbinden.
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Von einer zentralen Meßeinrichtung können so zwei Meßvorgänge am gleichen
Geber derart durchgeführt werden, daß Störeinflüsse wie beispielsweise Thermospannungen
an einer Meßbrücke durch Differenzbildung von zwei Meßspannungen unterschiedlicher
Polarität eliminiert werden.
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In den Figuren 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt;
es zeigt Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Meßbrücke in 3-Leiterschaltung
und Figur 2 eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Meßbrücke in 4-Leiterschaltung.
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In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit dem gleichen
Bezugszeichen versehen.
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In einer zentralen Datenerfassungsanlage - Zentrale Z genannt - befindet
sich eine Konstantstromquelle K. Dieser kann über die Klemmen K1, dem Pluspol (+),
und K2, dem Minuspol (-), ein konstanter eingeprägter Gleichstrom 1K entnommen werden.
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Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform zeigt eine Schaltungsanordnung
zur Speisung einer Meßbrücke R als Widerstandsgeber in 3-Leiterschaltung. Eine Speiseschaltung
A ist mit den Klemmen Al und A2 über zwei Leitungen mit den Widerständen RS1 und
RL2 und zwei Schalter S1 und S2 an die Klemmen K1 und K2 der Konstantstromquelle
K anschaltbar. Sie enthält einen Regelverstärker V1 mit Ausgangswiderstand R5, einen
Gegenkopplungswiderstand R1 sowie einen an die Klemmen Al und A2 angeschlossenen
Spannungsteiler mit den Teilerwiderständen R3 und R2. Die Speisediagonale der Meßbrücke
R ist über zwei Speiseleitungen mit den Widerständen RIS und RL6 an den Spannungsausgang
mit den Klemmen A5 und A6 der Speiseschaltung A angeschlossen. Eine dritte Speiseleitung
mit dem Widerstand Rl7 verbindet den unteren Anschluß der Speisediagonale mit der
Klemme A7. Zwei Meßleitungen mit den Widerständen RL3 und Rl4 verbinden die Meßdiagonale
der Meßbrücke R mit den Schaltern S3 und S4, die eine Verbindung zu einer Spannungsmeßeinrichtung
V3 herstellen, welche in der Zentrale Z untergebracht und über die Klemmen K3 und
K4 zugänglich ist.
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Die Konstantstromquelle K liefert den eingeprägten konstanten Gleichstrom
IK. Dieser fließt über die Klemme Al in die Speiseschaltung A und aus der Speiseschaltung
zurück über die Klemme A2, sobald die von der Zentrale Z aus betätigten Schalter
S1 und S2 geschlossen sind. Der Gleichstrom IK teilt sich auf in einen Teilerstrom
I2 und einen Gegenkopplungsstrom 11. Unter der Annahme, daß der Widerstand der zur
Meßbrücke R führenden Speiseleitungen Null ist, vergleicht der Regelverstärker V1
die am Gegenkopplungswiderstand R1 abfallende Spannung UR1 mit der Teilerspannung
UR2 am Widerstand R2 und regelt über seinen Ausgangswiderstand R5 und die Diode
D die zwischen den Klemmen A5 und A6 anstehende Gleichspannung UA derart, daß der
Spannungsabfall an R1 gleich dem Spannungs-
abfall an R2 beträgt
nach der Gleichung: I2 * R2 = (IK - I2) * R1 (Rl = 0) Mit UA = I2 * R3 ergibt sich
für UA = IK * R1 + R3 UA 1K R1 + R2 Dieser Regelvorgang ergibt eine konstante eingeprägte
Ausgangsspannung UA in einem zulässigen Lastwiderstands-Bereich. Je nach Größe des
an die Klemmen A5 und A6 angeschlossenen Lastwiderstandes wird der Laststrom 1A
mehr oder weniger von der Ausgangsstufe des Regelverstärkers übernommen.
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Um den Einfluß der als symmetrisch angenommenen leitungswiderstände
RL5 und RL6 bei der 3-Leiterschaltung nach Figur 1 zu eliminieren, ist die Speiseschaltung
A wie folgt zu dimensionieren: Die Widerstandswerte der beiden Teilerwiderstände
R2 und R3 werden gleich groß und ihr Widerstandswert ist groß gegen den des Gegenkopplungswiderstandes
R1 gewählt. Dann errechnet sich die Höhe der Gleichspannung UA nach der Beziehung
UA = R1 (IK - I2) (R2 = R3) Der über die Meßbrücke R fließende Laststrom IA erzeugt
an den beiden Speiseleitungen mit dem Widerstand RL5 und RL6 einen gesamten Spannungsabfall
tU = 2 * IA * Rl. Für eine konstante Ausgangsspannung UA ist es erforderlich, daß
die Speiseschaltung A den Spannungsabfall AU zusätzlich erzeugt. Um dies zu erreichen,
wird der Spannungsabfall Rl6 * 1A über die Klemme A7 auf den nichtinvertierenden
Eingang des Regelverstärkers V1 geschaltet. Dieser Spannungsabfall verursacht infolge
der gleich großen Teilerwiderstände R2 und R3, daß die Gleichspannung UA an den
Klemmen A5 und A6 um den Spannungsabfall AU angehoben wird. Die Speiseschaltung
A ermöglicht damit die Einschaltung von leitungswiderständen in die Speiseleitungen
zwischen der Meßbrücke R und den Klemmen AS, A6 und A7,
ohne daß
deren Spannungsabfall die Größe der Gleichspannung UA nennenswert beeinflußt. Der
Leitungswiderstand RT7 braucht nicht berücksichtigt werden, da dieser klein ist
gegenüber dem Eingangswiderstand des Regelverstärkers V1.
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Aus der Beziehung für die Gleichspannung UA ergibt sich, daß UA proportional
dem eingeprägten Gleichstrom 1K ist, da ein anderer Gleichstrom zu einem entsprechend
anderen Spannungsabfall UR1 am Gegenkopplungswiderstand R1 führt.
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Die Gleichspannung ist daher von der Zentrale aus programmierbar,
d.h. durch Vorgabe des Konstantstromes IK kann die von der Speiseschaltung gelieferte
Versorgungsspannung an die erforderlichen Werte für den Widerstandsgeber R angepaßt
werden.
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Die Ausführungsform nach Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur
Speisung einer Meßbrücke R mit einer Gleichspannung in 4-Leiterschaltung. Sie unterscheidet
sich von der Anordnung nach Figur 1 dadurch, daß in der Speiseschaltung A ein Bezugsverstärker
V2 zusätzlich aufgenommen ist, dessen Aufgabe darin besteht, an die Klemme A6 einen
niederohmigen Gleichspannungsanschluß zu legen, der auf dem Potential des Teileranschlusses
T liegt. Zu diesem Zweck ist der positive Eingang des als Spannungsfolger arbeitenden
Bezugsverstärkers V2 mit dem Teileranschluß T und sein negativer Eingang mit der
Klemme A7 verbunden.
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Verwendet man für V2 einen handelsüblichen Operationsverstärker, so
muß mit einer Ausgangssättigungsspannung gerechnet werden. Um daher den Operationsverstärker
V2 innerhalb seiner Aussteuergrenzen betreiben zu können, ist der Widerstand R3*
erforderlich, mit dem die Ausgangsspannung von Anschluß A6 um den notwendigen Betrag
"angehoben" wird.
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An der Speisediagonalen der Meßbrücke R liegt die Gleichspannung UA
an, die über zwei Speiseleitungen mit den Widerständen RS5 und RD6 den Klemmen A5
und A6 der Speiseschaltung A entnommen ist. Diese Gleichspannung UA ist durch die
Spannungsteilerwiderstände R2 und R3 festgelegt, die zwischen den Klemmen A2 und
A8 angeschlossen sind. Von Klemme A8 führt eine Leitung mit dem Widerstand RL8 zum
oberen Speiseanschluß der Meßbrücke R. Wie bereits anhand des Ausführungsbeispieles
nach Figur 1 erläutert, regelt der Regelverstärker V1 über seinen Ausgangswiderstand
R5 und die Diode D die Gleichspannung am oberen Speiseanschluß der Meßbrücke derart,
daß der Strom I2 durch den Teilerwiderstand R2 konstant ist und damit die Summe
der Spannungen an R2 und R3 konstant ist. Durch die hochohmigen Eingänge des Regelverstärkers
V1 und des Bezugsverstärkers V2 können die Teilerwiderstände R2 und R3 wesentlich
größer als der Gegenkopplungswiderstand R1 gewählt werden. Daraus folgt, daß die
Leitungswidersthlle RL bis auf einen vernachlässigbaren Restwert nicht in den Wert
der Gleichspannung UA eingehen Wie in Figur 2 angedeutet, können von der Zentrale
Z über die Klemmen K1 bis K4 weitere Meßstellen angeschlossen werden, die über jeweils
vier Schalter entsprechend S1 bis S4 zentral anwählbar sind. Jede Meßstelle weist
einen Widerstandsgeber auf, der von einer Speiseschaltung entsprechend der Speise
schaltung A mit einer eingeprägten Gleichspannung versorgt wird. Die Versorgung
der einzelnen Speiseschaltungen erfolgt über zwei Leitungen durch die einzige Stromquelle
K von der Zentrale Z aus, wobei für jede Meßstelle die Höhe der benötigten Gleichspannung
durch die Größe des eingeprägten Gleichstromes IK wählbar ist.
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