DE3537332A1 - Normalised measuring device based on a Wheatstone bridge - Google Patents
Normalised measuring device based on a Wheatstone bridgeInfo
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Abstract
Description
Titel der ErfindungTitle of the invention
Normierte Meßeinrichtung auf der Basis einer Wheatstone'schen Brücke Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine normierte Meßeinrichtung auf der Basis einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, deren Elemente ganz oder teilweise aktive Meßwertaufnehmer sind, und die für experimentelle oder industrielle Materialuntersuchungen unter Einwirkung sowohl statischer als auch dynamischer (zeitlich veranderlicher) Kräfte auf den Gebieten des Maschinen- und Anlagenbaues, im Bauwesen sowie in der elektrischen Meßtechnik geeignet ist.Standardized measuring device based on a Wheatstone bridge Field of application of the invention The invention relates to a standardized measuring device on the basis of a Wheatstone bridge circuit, the elements of which are wholly or are partially active transducers, and those for experimental or industrial Material examinations under the influence of both static and dynamic (temporal changeable) forces in the fields of mechanical and plant engineering, in construction as well as in electrical measurement technology.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In der DE-PS 2 314 754 ist eine elektrische Vielstellenmeßeinrichtung beschrieben, die nach dem Ausschlagverfahren (Brückenverstimmung = Meßwert) arbeitet. Zur Kompensation von Spannungsverlusten werden Spannungsregelungsschaltungen verwendet, die die Speise spannung unmittelbar an den IiLesteflen auf. einen vorgegebenen Sollwert ausregeln. Spannungsabgriffe an den Meßstellen werden durch geschaltete Meßleitungen realisiert, die an hochohmige Impedanzwandler angesohlossen sind, so daß diese Leitungen nahezu stromlos werden und Spannungsverluste, hervorgerufen durch Leitungs- und Schalterwiderstände, vernachlässigbar klein werden.Characteristics of the known technical solutions In DE-PS 2 314 754 describes an electrical multi-point measuring device which, according to the deflection method (Bridge detuning = measured value) is working. To compensate for voltage losses voltage regulation circuits are used, which the supply voltage directly at the IiLesteflen. regulate a specified target value. Voltage taps at the measuring points are implemented by switched measuring lines that are connected to high-resistance Impedance converters are connected, so that these lines are almost currentless and voltage losses caused by line and switch resistance are negligible get small.
Als Schalter Sinden Halbleiterbauelemente Verwendung. Nachteilig ist der erhöhte Aufwand an Schalterelementen bzw. wenn diese verringert werden, der erhöhte Aufwand Spannungsregelschaltungen, Außerdem wird der Einsatz der Meßeinrichtung zur Erassung zeitlich sich schnell ändernder Meßgrößen durch die Geschsirldigkeit der Regelanordnung selbst eingeengt, da mit zunehmender Länge der Speisespannungsleitungen Einschwingvorgänge und Phasendrehungen (bei Betrieb mit sinusförmigen Spannungen) zu berücksichtigen sind. Semiconductor components are used as switches. Disadvantageous is the increased cost of switch elements or if this is reduced will, the increased effort voltage control circuits, In addition, the use of the measuring device for the acquisition of measured variables that change rapidly over time due to the business the control system itself, as the length of the supply voltage lines increases Settling processes and phase rotations (when operating with sinusoidal voltages) must be taken into account.
Bekannt ist weiterhin durch die DE-PS 2 822 695 eine elektrische Vielstellenmeßeinrichtung, die nach dem Nullverfahren arbetet.Also known from DE-PS 2 822 695 is an electrical multi-point measuring device, which works according to the zero procedure.
Durch einen Widerstandssatz wird ein Zweig einer Wheatstone'-schen Brücke so verändert, daß die Brückeverstimmung gegen Null geht. Das Maß der \iderstandsänderung ist damit ein Maß für die durch die physikalische Meßgröße verursachte Brückenverstimmung. Die Meßstellen können als Viertelbrücke (ein aktiver Meßwertaufnehmer) oder als IBlbbrücke (zwei aktive Meßwertaufnehmer) ausgebildet sein. Meßstellen, die als Vollbrülckenschaltung ausgebildet sind und bei entsprechender Auslegung die vierfache Empfindlichkeit gegenüber einer Viertelbrücke aufweisen, können mit dieser Meßeinrichtung nicht betrieben werden. Die Meßwertaufnehmer werden grundsätzlich einzeln an die interne IBlb- oder Dreiviertelbrücke zugeschaltet.A resistance theorem becomes a branch of a Wheatstone's Bridge changed so that the bridge detuning tends to zero. The amount of change in resistance is thus a measure of the bridge misalignment caused by the physical measured variable. The measuring points can be used as quarter bridges (an active transducer) or as IBlbbrücke (two active transducers). Measuring points, which as Full bridge circuit are formed and, with appropriate design, fourfold Have sensitivity to a quarter bridge, can with this measuring device not operated. The transducers are always sent individually to the internal IBlb or three-quarter bridge switched on.
Zur KOmpensation von Spannungsverlusten, hervorgerufen durch Schalter- und Kabelwiderstände, werden Komsensationseinrichtungen (Spannungsregelschaltungen) benutzt.To compensate for voltage losses caused by switch and cable resistances, are compensation devices (voltage control circuits) used.
Nachteilig an der bekannten Meßeinrichtung ist der hohe Aufwand an Schaltern und Kompensationseinrichtungen und die Nichteignung zur Erfassung zeitlich schnell veränderlicher Meßgrössen. Letzteres resultiert einerseits aus den genannten fltin schränkungen (DE-PS 2 314 754), die sich aus der Verwendung von Spannungsregelungsschaltungen in Verbindung mit langen Kr.l~ beln ergeben und andererseits durch Anwendung des gegenüber dem Ausschlagverfahren langsameren Nullverfahrens.The disadvantage of the known measuring device is the high cost Switches and compensation devices and the unsuitability for recording in terms of time rapidly changing measured quantities. The latter results on the one hand from the above fltin restrictions (DE-PS 2 314 754) arising from the use of voltage regulation circuits in connection with long cranks and, on the other hand, by using the the zero process is slower than the strike process.
Ziel der Erfindung bas Ziel der bi1rfindung besteht in der Realisierung einer Meßeinrichtung, bei der die meßwertverfälschenden Einflüsse mit einer weitgehenden Vereinfachung des schaltungstechnischen Aufwandes ausgeschlossen werden.Aim of the invention The aim of the invention is to realize it a measuring device in which the influences falsifying the measured values with an extensive Simplification of the circuitry expenditure can be excluded.
Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, die zur meßtechnischen Erfassung zeitlich schnell vertnderlicher Signale geeignet ist, einen geringen Aufwand an Bauelementen und Funktionseinheiten erfordert und Störgrößen ie Iiabel- und Schalterwiderstände sowie Instabilitäten der :Brückenspeisespannung weitgehend kompensiert.Statement of the essence of the invention The object of the invention is to be found based on creating a measuring device that is used for metrological detection in terms of time rapidly changeable signals is suitable, a low cost of components and functional units and disturbance variables ie Iiabel and switch resistances as well as instabilities of the: bridge supply voltage largely compensated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer ;(heatstone?schen Brücke an swei Diagonalpunkten eine Speisespannung zugeführt und deren Momentanwert in unmittelbarer Nähe der Brücke durch eine Meßeinrichtung ermittelt wird. An den beiden anderen Diagonalpunkten ist die Verstimmung der Brücke als Spannungswert meßbar. Dieser wird durch eine MeBeinrichtung ermittelt und durch den Itomentanwert der Bruckenspeisespannung in einem Dividiernetzwerk dividiert. Das Ergebnis ist eine analoge elektrische Spannung, deren Größe ein Abbild der Brückenverstimmung ist, d. h. es ist nur von dem Größenverhältnis der Brückenelemente abhängig und nicht vom absoluten Betrag bzw.This object is achieved according to the invention in that one; (heatstone? S Bridge at two diagonal points fed a supply voltage and its instantaneous value is determined in the immediate vicinity of the bridge by a measuring device. To the two other diagonal points is the detuning of the bridge as a voltage value measurable. This is determined by a measuring device and by the current value dividing the bridge supply voltage in a dividing network. The result is an analog electrical voltage, the size of which is an image of the bridge detuning is, d. H. it is only dependent on the size ratio of the bridge elements and not from the absolute amount or
von Insttbilitäten der Speisespannung.of instabilities of the supply voltage.
Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird anhand von zwei Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Dabei zeigen die Zeichnungen in figur 1 ein Prinzipschaltbild einer normierten Meßbrucke und in Figur 2 eine Schaltungsanordnung einer Vielstellenmeßeinrichtung nach dem Prinzip der normierten Meßbrücke.EXEMPLARY EMBODIMENTS The invention is illustrated by means of two examples further described with reference to the drawings. The drawings in FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a standardized measuring bridge and FIG. 2 shows a circuit arrangement a multi-point measuring device based on the principle of the standardized measuring bridge.
Im ersten Beispiel (Fig. 1) ist die Speisespannungsquelle (E;e) mit Punkten (A;B) der Meßbrücke über die Schalter (S1; S2) verbunden. In unmittelbarer Nähe der Brücke sind an den Punkten (A;B) Spannungsabgriffe vorhanden, über die der Momentanwert der Speisespannung durch die Meßeinrichtung (1) gemeasen wird. An den Diagonalpunkten (C; D) wird die Brückenverstimmung durch die Meßeinrichtung (2) abgenommen. Das Ausgangssignal der Meßeinrichtung (2) entspricht dem Spannungsabfall zwischen den Punkten (C;D) irnd ist durch die Gleichung UV - Brückenverstimmung USP - Momentantwert der Speisespannung beschreibbar.In the first example (Fig. 1) the supply voltage source (E; e) is connected to points (A; B) of the measuring bridge via the switches (S1; S2). In the immediate vicinity of the bridge there are voltage taps at points (A; B) via which the instantaneous value of the supply voltage is measured by the measuring device (1). The bridge detuning is picked up by the measuring device (2) at the diagonal points (C; D). The output signal of the measuring device (2) corresponds to the voltage drop between the points (C; D) and is given by the equation UV bridge detuning USP - instantaneous value of the supply voltage can be written.
Den Momentantwert der Speisespannung (USP) ermitellt die Meßeinrichtung (2) aus der Potentialdifferenz der Punkte A; B).The measuring device determines the instantaneous value of the supply voltage (USP) (2) from the potential difference of the points A; B).
Der Dividierer (3) teilt den Wert der Brückenverstimmung (UT) - Ausgangssignal der Meßeinrichtung (2) - durch den ATomnlltanwert der Speisespannung (Usp) - Ausgangssignal der Meßeinrichtung (1) - und stellt an seinem Ausgang den normierten Wert der Brückenverstimmung (UD) zur Verfügung, wobei dieser Schritt der nachfolgenden Gleichung folgt.The divider (3) divides the value of the bridge detuning (UT) - output signal of the measuring device (2) - by the ATomnlltanwert of the supply voltage (Usp) - output signal of the measuring device (1) - and provides the standardized value of the bridge detuning (UD) at its output available, this step being the equation below follows.
Der normierte Wert der Brückenverstimmung (UD) ist unabi-l-ingig von Änderungen und Instabilitäten der Speisespannungsquelle (E;e) sowie von Spannungsverlusten, die durch Schalter (S1;s2) und Zuleitungskabel verursacht werden und ist als Spannungswert (V) meßbar.The normalized value of the bridge detuning (UD) is independent of Changes and instabilities of the supply voltage source (E; e) as well as voltage losses, caused by switches (S1; s2) and supply cable and is a voltage value (V) measurable.
Ein elektrischer Brückenabgleich ist möglich, wenn der Hingang (c) der Meßeinrichtung (2) mit eine vorzeichenbehafteten Spannung (UA) beaufschlagt wird. Die Größe dieser Spannung ist ein Maß für die Brückenverstimmung nach dem erfolgten Brückenabgleich.An electrical bridge adjustment is possible if the entrance (c) a signed voltage (UA) is applied to the measuring device (2) will. The size of this voltage is a measure of the bridge detuning after the bridge adjustment carried out.
Als zweites Beispiel (Fig. 2) wird die Anwendung der Erfindung in einer Vielstellenmeßanlage beschrieben. über die synehronen Schalter (S1;S2;S3;S4;s5) ist die Meßstelle (M2) (Halbbrücke), bestehend aus den Widerständen (R21;R22), eingeschaltet. Die Schalter (S1; S2) können bei Bedarf entfallen, z. B. bei geringer Anzahl von Meßstellen oder bei Eochgeschwindigkeitsuntersuchungen, um Einschwingvorgänge, bedingt durch das Zuschalten der Bruckenspeisespannung (E), auszuschließen, In diesem halle werden alle Meßstellen in Paralleischaltung mit der Speisespannungsquelle (E) verbunden.As a second example (Fig. 2), the application of the invention in a multi-point measuring system described. via the syncronous switch (S1; S2; S3; S4; s5) the measuring point (M2) (half bridge), consisting of the resistors (R21; R22), is switched on. The switches (S1; S2) can be omitted if necessary, e.g. B. with a small number of Measuring points or in high-speed investigations, around transient processes, conditional by switching on the bridge supply voltage (E), exclude, in this hall all measuring points are connected in parallel with the supply voltage source (E).
Die Brückenspeisespannung (E) ist eine Gleichspannung. Die Spannungsabgriffe an den Punkten (A2;C2;B2) werden über die Schalter (S3; S4; S5) an besonders hochohmige Impedanzwandler (4;5;6) geführt, so daß diese Meßleitungen nahezu stromlos sind und somit Rein nennenswerter Spannungsverlust auftritt.The bridge supply voltage (E) is a direct voltage. The voltage taps At points (A2; C2; B2) the switches (S3; S4; S5) are connected to particularly high-resistance Impedance converter (4; 5; 6) out so that these measuring lines are almost currentless and thus there is a significant loss of voltage.
Die Ausgänge der Impedanzwandler (4;6), deren Potentiale identisch sind mit denen der Punkte (A2;B2), sind mit der internen Halbbrücke, bestehend aus den Widerständen (R30; R40) gekoppelt, so daß eine Wheatstone'sche Brücke, bestehend aus den Widerständen (R21;R22;R30;R40), entsteht. Gleichzeitig sind die Ausgänge der Impedan2wandler (4;6) mit der Meßeinrichtung (1), einem Subtrahierer, gekoppelt. Dieser ermittelt die Potentialdifferenz der Punkte (A2;32), d. h. den riomentanwert der Brückenspeisespannung (Usp), bezogen au9 die eingeschaltete Meßstelle.The outputs of the impedance converters (4; 6), whose potentials are identical are with those of the points (A2; B2), are with the internal half-bridge, consisting of the resistors (R30; R40) coupled, so that a Wheatstone bridge, consisting from the resistors (R21; R22; R30; R40). At the same time are the exits the impedance converter (4; 6) is coupled to the measuring device (1), a subtracter. This determines the potential difference of the points (A2; 32), i. H. the current value the bridge supply voltage (Usp), based on the switched-on measuring point.
Die Brückendiagonale, an der die Verstimmung meßbar ist, ergibt sich aus den Punkten (CO; DO). Beide werden der Meßeinrichtung (2) zugeführt, die aus einem Addierer mit 3 Eingängen besteht. Damit dieser die Potentialdifferenz der Punkte (to;Do) ermitteln kann, wurde der Impedanzwandler (5) als invertierenden Eins-Verstärker realisiert. Ausgangssignal des Addierers (2) ist die momentane Brückenverstimmung (Uv).The diagonal of the bridge at which the detuning can be measured results from the points (CO; DO). Both are fed to the measuring device (2), which consists of an adder with 3 inputs. So that this is the potential difference of the Points (to; Do) can determine the impedance converter (5) as inverting One amplifier realized. The output signal of the adder (2) is the current bridge detuning (Uv).
Der Dividierer (3) teilt (Uv) durch (Usr). Sein Ausgangssignal (UD) ist der auf die momentane Brückenspeisespannung (USP) normierte ert der Brückenverstimmung (Uv) und somit unabhängig von Betrag bzw. von Instabilitäten der Speisespannung (S).The divider (3) divides (Uv) by (Usr). Its output signal (UD) is the value of the bridge detuning normalized to the current bridge supply voltage (USP) (Uv) and therefore independent of the amount or instabilities of the supply voltage (S).
Der normierte Wert der Brückenverstimmung (UD) kann über den Analog-Eingabe-Kanal eines Prozeßrechners direkt verarbeitet werden. Durch den Analog-Ausgabe-Kanal desselben ners, der an den Eingang (c) des addierers (2) gekoppelt wird, ist ein rechnergestützter Brückenabgleich möglich.The normalized value of the bridge detuning (UD) can be over the Analog input channel of a process computer can be processed directly. Through the analog output channel of the same ners, which is coupled to the input (c) of the adder (2), is a computer-aided bridge adjustment possible.
Für die Meßstellen (M3; M4; M5) (Viertelbrücken), bestehend aus den Widerständen (R31; R41; R51), die einen gemeninsamen Temperatur-Kompensationsmeßstreifen (RGK) und damit auch gemeinsame Punkte (C3;B3) haben, gelten die £ir Meßstelle ( beschriebenen Vorgänge analog.For the measuring points (M3; M4; M5) (quarter bridges), consisting of the Resistors (R31; R41; R51) that share a common temperature compensation measuring strip (RGK) and thus also have common points (C3; B3), the £ ir measuring point apply ( procedures described analogously.
Bei der Meßstelle (M1) (Vollbrücke), bestehend aus den widerständen (R11; R12; R13; R14), wird die interne Halbbrücke der Meßeinrichtung, bestehend aus den Widerständen (R30; R40), nicht benötigt und durch den Schalter (s7) abgeschaltet. Dafür schaltet (s7) den Diagonalpunkt (D1) J.er iißste1le (M1) über den Schalter (S6) und den Impedanzwandler (7) n den Eingang (a) des Addierers (2) zur ermittlung der Brückenverstimmung der Meßstelle (z1) durch den Addierer (2).At the measuring point (M1) (full bridge), consisting of the resistors (R11; R12; R13; R14), the internal half-bridge of the measuring device is made up from the resistors (R30; R40), not required and switched off by the switch (s7). To do this, (s7) switches the diagonal point (D1) J.er iißste1le (M1) via the switch (S6) and the impedance converter (7) n the input (a) of the adder (2) for determination the bridge detuning of the measuring point (z1) by the adder (2).
Die momentane Brückenspeisespannung der Meßstelle (M1) wird wie bei den anderen Meßstellen iiber die Schalter (S3; S5) und die Impedanzwandler (4; 6) durch den Subtrlhierer (1) erilttelt.The current bridge supply voltage of the measuring point (M1) is as in the other measuring points via the switches (S3; S5) and the impedance converters (4; 6) erilttelt by the subtracter (1).
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen e - Speisespannungsquelle (Brückenspeisespannung) 1 - Meßeinrichtung (Subtrahierer) 2 - Meßeinrichtung (Addierer) 3 - Dividiernetzwerk 4, 5, 6 - hochohmiger Impedanzwandler A, h1... A5 - Punkte B, B1 ... B3 -C, C0 ... C3 -D, D0 ... D1 -S... 57 - Schalter UV -Brückenverstimmung USP - Momentanwert der Brückenspeisespannung U - Spannung UA - Spannung UD - Ausgangssignal (normierter Wert der Brückenverstimmung) V - Spannungsmeßeinrichtung R1, R11... R14, R21, R22, R31, R41; R51, aktive Meßwertaufnehmer R30, R40 - interne Halbbrücke RGK - gemeinsamer Kompensationsaufnehmer a, b, c - -L e e r s e i t e-List of the reference symbols used e - supply voltage source (Bridge supply voltage) 1 - measuring device (subtracter) 2 - measuring device (adder) 3 - dividing network 4, 5, 6 - high-resistance impedance converter A, h1 ... A5 - points B, B1 ... B3 -C, C0 ... C3 -D, D0 ... D1 -S ... 57 - switch UV bridge detuning USP - instantaneous value of the bridge supply voltage U - voltage UA - voltage UD - output signal (normalized value of the bridge detuning) V - voltage measuring device R1, R11 ... R14, R21, R22, R31, R41; R51, active transducers R30, R40 - internal half bridge RGK - common compensation transducer a, b, c - -L e e r s e i t e-
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