Verfahren zum Betrieb einer Schaltung mit einer Wheatstone'schen Brücke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung mit einer Wheatstone'schen-Brücke, sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei üblichen Messbrücken ist die als Ergebnis der zulässigen Verstimmung der Impedanzen der Brükkenzweige erreichbare Ausgangsspannung gegenüber den Spannungsquellen, die für die Energieversorgung der Brücke zur Verfügung stehen, sehr niedrig. So liegt z. B. in Widerstandsbrücken der Art, die in Wandlern mit für Zugspannungen empfindlichen Drähten, wie z. B. Metalldrähten oder Halbleiterkörpern mit oder ohne Metallisierung verwendet werden, die Ausgangsspannung der Brücke, die das Ergebnis der zulässigen Änderung in der Zugbeanspruchung der Drähte ist, im Millivoltbereich pro Volt Eingangsspannung.
Wegen der Beschränkung des Gesamtwiderstandes der Brücken, die sich aus den Konstruktionsgrenzen solcher Wandler ergeben, und auch wegen der üblichen Grenzen der Grösse der Span nungsquellen, die die Leistung der Brücke liefern, ist die Ausgangsspannung gewöhnlich niedriger, als für Fernmesszwecke erwünscht ist. Für solche Zwecke ist es wünschenswert, dass die Ausgangsspannung der Brücke im Voltbereich statt im Millivoltbereich liegt.
Es ist zwar eine Verstärkung der Ausgangsspannung durch Gleichstrom-oder Wechselstromverstärker möglich. Diese Verstärker bringen jedoch Probleme der Linearität, Stabilität und Komplexität mit sich.
Wie aus der Theorie Wheatstone'scher Brücken bekannt ist, ergibt sich, wenn an gegenüberliegenden Ecken der Brücke Strom zugeführt wird, dann keine Spannung an den verbleibenden zwei gegenüberliegenden Ecken, wenn die vier Brückenimpedanzen im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Diese Brücke wird als abgeglichen bezeichnet. Wenn die Brücke durch Änderung der Impedanzen der Brückenzweige aus dem Gleichgewicht gebracht oder verstimmt wird, wird der Spannungsabfall an jedem der vier Zweige der Brücke individuell geändert, so dass eine begrenzte Spannungsdifferenz, hier Ausgagnsspannung genannt, an den Ausgangsecken der Brücke erscheint. So ergibt sich in den Zweigen, in denen die Impedanz vergrössert wird, eine vergrösserte Spannungsdifferenz im Vergleich zu dem Fall der Brücke in ihrer ursprünglichen abgeglichenen Lage.
In den Zweigen, deren Impedanz verringert ist, ergibt sich eine Verringerung des Spannungsabfalls. Dagegen wird der Gesamtstrom durch die Brücke nicht geändert, solange der gesamte Brückenwiderstand und die Eingangsspannung nicht geändert werden. Der Stromverlauf wird nicht geändert, und der Brückenstrom verteilt sich auf die zu den Eingangsklemmen parallel liegenden Impedanzen im umgekehrten Verhältnis zu den Impedanzen jedes Parallelpfades.
Die gesamte Spannung, die an den Ausgangsekken der Brücke auftritt, wenn die Brücke nicht abgeglichen ist, hängt von den Impedanzen der Zweige der Brücke, von der an die Brücke gelegten Spannung und der prozentualen Veränderung der Impedanzen, die in jedem Zweig der Brücke vorgenommen wird, ab.
Zweck der Erfindung ist, ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung mit einer Wheatstone'schen Brücke anzugeben, mit welchem ohne Verstärker ausreichend hohe Brückenausgangsspannungen erhalten werden.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass durch Anschliessen der Eingangsdiagonale der Brücke an eine erste Stromquelle und durch eine, durch Änderung der Impedanz mindestens eines der Brückenzweige hervorgerufene Störung des Brückenabgleiches an der Ausgangsdiagonale der Brücke eine Spannung erzeugt wird, dass bei geänderter Impedanz von einer zweiten Stromquelle über einen Widerstand, dessen Wert grösser ist als der Widerstand der Brücke, und über einen Ausgangseckpunkt der Ausgangsdiagonale der Brücke Gleichstrom zugeführt wird, welcher die Brücke in einer Richtung durchfliesst, in welcher der Strom durch einen Brükkenzweig verstärkt und der Strom durch den angrenzenden Brückenzweig geschwächt wird,
so dass die Spannung an der Ausgangsdiagonale kompensiert und der durch die Impedanzänderung gestörte Brückenab gleichwieder hergestelltwird, und dass von dem durch den Widerstand zum Ausgangseckpunkt der Brücke fliessenden Strom der zweiten Stromquelle ein elektrisches Signal hergeleitet wird, welches dem Grad der Impedanzänderung entspricht.
Eine bevorzugte Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, mit einer Wheatstone'schen Brücke, welche Schaltung an einer ersten Stromquelle angeschlossene Eingangsklemmen, an einer zweiten Stromquelle angeschlossene Ausgangsklemmen und eine Vorrichtung zur Änderung der Impedanz mindestens eines Brückenzweiges aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromquelle über einen Widerstand an mindestens einem Teil mindestens eines Zweiges der Brücke angeschlossen ist, wobei ein Pol der zweiten Stromquelle mit einem Ausgangseckpunkt der Brücke verbunden ist, und dass der Widerstand seinem Wert nach grösser ist als die Impedanz der Brücke und seine Grösse ausreicht, um den Strom aus der zweiten Stromquelle in der Stärke, jedoch mit entgegengesetzter Polarität, dem Strom, welcher von der ersten Stromquelle ausgehend die Brücke durchfliesst,
anzugleichen, bis die auf der Impedanzänderung begründete Spannung an der Ausgangsdiagonale der Brücke kompensiert ist, und dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, welche auf den Strom aus der zweiten Stromquelle und auf den Grad der Impedanzänderung anspricht. Der Strom, der durch die Brücke fliesst, um die Veränderung der Brückenzweigströme zu verursachen, wird im folgenden als Ausgangsstrom bezeichnet. Jede Änderung in den Impedanzen der Zweige führt bekanntlich zu einer proportionalen Änderung des Ausgleichstromes.
Die Ausgleichspannung und der Ausgleichstrom können von einer unabhängigen zweiten Quelle geliefert und von Hand eingestellt werden, bis die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsecken auf den gewünschten Grad der Differenz eingestellt ist. Man kann aber, anstatt dies von Hand zu tun, die Ausgleichspannung durch ein elektromechanisches Servosystem einstellen, das die angelegte Spannung in Abhängigkeit von der an den Ausgangsecken der Brücke gelieferten Spannung ändert, bis sie den gewünschten Grad des Unterschiedes im Potential aufweisen.
Vorzugsweise wird jedoch eine elektrische Servoschaltung verwendet, bei der die Spannungsdifferenz an den Ausgangsecken, die entsteht, wenn die Brükkenimpedanzen verstimmt sind, als Fehlersignal für ein Servosystem wirkt, das eine Spannung zurück zur Brücke liefert, um das Fehlersignal auf den gewünschten Wert zu verringern.
Äusführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen weiter beschrieben, von denen
Fig. 1 bis 8 schematische Schaltbilder sind.
Fig. 9 ist ein Vertikalschnitt und zeigt eine Form eines Wandlers mit Drähten, die nach Art einer Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind.
Fig. 10 ist ein Schnitt nach Linie 10-10 der Fig. 9.
Fig. 11 ist ein Schnitt nach der Linie 11-11 der Fig. 9.
In Fig. 1 besteht dieWheatstonesche Brücke aus den Zweigen 5, 6, 7 und 8. Die Brücke ist bei 9 und 10 an den Eingangsecken 1 und 4 mit der Eingagnsenergiequelle elektrisch verbunden und an den Ecken 2 und 3 an einen Ausgangsstromkreis angeschlossen.
Die Zweige 5 und 8 und ebenso 6 und 7 werden gegenüberliegende Zweige der Brücke genannt. Die Zweige 5 und 6, 5 und 7, 7 und 8 und 8 und 6 heissen benachbarte Zweige.
Nimmt man an, dass der Schalter 9 offen ist und dass die Polarität der Energiequelle, wie in Fig. 1 dargestellt, so ist, dass 9 positiv in bezug auf 10 ist (d. h. 9 auf einem höheren Potential liegt als 10), und setzt man ferner voraus, dass die Impedanzen der Zweige z. B. durch Anwendung von Druck geändert werden, um die Spannung in den Zweigen 5 und 8 zu vergrössern und die Spannung in 6 und 7 zu verringern, so ist 2 negativ in bezug auf 3, d. h. liegt auf einem niedrigeren Potential als 3. Bei diesem Anwendungsfall ist der Bezugspunkt nicht notwendigerweise Erdpotential. Die Spannungen sind deshalb nur als bezogene Werte anzusehen, wie angegeben. Posi tiv und negativ werden nur zur Darstellung von Spannungspegeln verwendet.
Die Brücke ist bis zu dem durch die Potentialdifferenz zwischen 2 und 3 gegebenen Wert aus dem Gleichgewicht oder verstimmt, d. h. die Brücke ist an den Ausgagnsecken polarisiert, wie oben angedeutet ist. Der Bequemlichkeit halber nennen wir diese Verstimmung das Fehlersignal. Bei den gewöhnlichen Systemen wird diese Verstimmung gemessen oder in Fernmesskreisen verwendet, die auf den von dem Wandler aufgenommenen Zustand ansprechen.
Solche Brücken sind in Datenverarbeitungssystemen üblich, die die Ausgangsgrössen von Wandlern wiedergeben, z. B. von Druckmessern, Beschleuni gungsmessern, Frequenzmessern, Verschiebungsmessern und anderen Geräten, in denen ein zu erfassen der Zustand übertragen wird, um die Impedanzen eines oder mehrerer Zweige einer Wheatstoneschen Brücke zu ändern, und die Verstimmung der Brücke ist ein Mass für den festzustellenden Zustand.
Der Wandler kann einen oder mehrere Zweige variieren, und die verbleibenden Zweige können als Festwiderstände in den Wandler eingebaut oder in den äusseren Stromkreis gelegt sein. Jedoch können auch alle Zweige in ihrem Impedanzwert durch den Wandler geändert werden.
Beispiele solcher Wandler sind die Wandler mit unter Zugspannung stehenden elektrischen Widerstandsdrähten (Zugdrahtwiderstandsmesswerte), die als sog. Statham-Messgeräte bekannt sind. Während die Brücke nach den Fig. 1 und 9 bis 11 als Widerstandsbrücke gezeichnet ist, z. B. eine solche, wie sie in Messwerken mit gebundenen oder ungebundenen Drähten oder Halbleitern oder Piezo-Widerstandsfäden verwendet wird, kann die Brücke auch eine induktive oder kapazitive Brücke oder eine Brücke mit gemischten Impedanzen sein, bei der die Grösse einer Induktivität, Kapazität oder einer gemischten Impedanz die vorgenannte Verstimmung erzeugt.
Das in der folgenden Erörterung für Widerstandsbrücken gesagte gilt wohlverstanden auch für Brücken im allgemeinen.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen einen Wandler zur Messung von Druckwerten, dessen Drähte nach Art einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet sind.
Der Rahmen 10 ist an dem Gehäuse 110 befestigt und der Anker 106 ist an dem Rahmen mit einer Blattfeder 108 aufgehängt.
Am Anker 106 sind Saphire oder andere Isolierstoffstifte 102, 103, 105 und 104 befestigt. Gleiche Stifte 102, 103, 105 und 104 sitzen an dem Rahmen.
Zwischen den Stiften sind metallische elektrische Widerstandsdrähte unter Zugspannung aufgewickelt, um eine Wheatstonesche Brücke zu bilden. Z. B. sind die Zweige der Brücke nach Fig. 1 so gewickelt, dass der Zweig 5 zwischen 103 und 102, Zweig 7 zwischen 102'und 103', Zweig 6 zwischen 104'und 105'und Zweig 8 zwischen 104 und 105 liegt. Die Enden der Drahtschleifen, die jeden der Zweige bilden, sind mit isolierten Anschlussklemmen verbunden. So ist Zweig 8 an die Klemmen 114 und 114' angeschlossen, Zweig 6 an 115 und 115', Zweig 7 an 113 und 113'und Zweig 5 an 112 und 112'. Diese Klemmen sind auf der Rückseite des Rahmens (vergl.
Fig. 10) durch elektrische Leiter mit Hilfe von vier Klemmen 121 in eine Wheatstonesche Brücke geschaltet, von denen nur drei in Fig. 9 zu sehen sind.
Es können Festwiderstände eingebaut sein, z. B. um die Brücke abzugleichen oder um eine Kompensation für Nullpunktverschiebungen und Bereichänderungen zu erhalten, wie hierin beschrieben wird. Ferner können die Festwiderstände Teile der Brückenzweige bilden, wie beschrieben wird.
Der Anker 106 ist durch eine Stange 107 mit der Membran 109 verbunden, die dem Druck ausgesetzt ist, der durch ein Anschlussstück 111 in das Gehäuse 110 gelangt. Das Anschlussstück ist dicht mit der Membran und dem Gehäuse 110 verbunden.
Bei Einwirkung von Druck auf die Membran wird der Anker verschoben, so dass die Zugspannung und damit der Widerstand in den Zweigen 6 und 7 vergrössert und die Zugspannung und der Widerstand in den Zweigen 5 und 8 verkleinert wird. Die Verstimmungsspannung, die daraufhin bei 2 und 3 erscheint, ist mithin ein Mass für die Grösse des einwirkenden Druckes.
Für Fernmesszwecke ist es wünschenswert, dass die Ausgangsspannung, die durch den festzustellenden Zustand erzeugt wird, in der Grössenordnung von einigen Volt liegt. Beschrieben werden hier Mittel, um solche Werte zu erreichen. Obwohl diese von besonderem Nutzen bei der Anwendung für Zugspannungsbrücken und andere Arten sind, bei denen die Brückenausgangsspannung im Millivoltbereich liegt, können sie auch auf andere Brückenschaltungen angewendet werden, bei denen eine übersetzte Vervielfachung oder Verringerung der Brückenausgangs- spannung gewünscht ist.
Wie in der Brückentheorie bekannt ist, verteilt sich für den Fall, dass in Fig. 1 die Impedanz des Zweiges 5 R ; ;, die Impedanz des Zweiges 6 R6, die Impedanz des Zweiges 7 R, und die Impedanz des Zweiges 8 R8 sowie die Eingangsspannung von 1 und 4 über 9 und 10 El ist, der Strom I auf die Brücke so, dass Il durch die Widerstände Rs und Ra und I2 durch die Widerstände R, und R7 fliesst, wie als Beispiel durch die in vollen Linien gezeichneten Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist.
Wenn die Brücke abgeglichen ist, ist das Potential bei 2 (E2) gleich dem bei 3 (E3), so dass die Potentialdifferenz zwischen beiden Eo = 0 ist : (1) I2R,/I2EE, = IiR./I, R..
Wenn alle Widerstände gleich sind, ist der Strom I2 gleich Il und gleich 2.
Falls die Impedanzen geändert werden, so dass z. B. Rs nunmehr gleich R5,-QRs und Rs nunmehr R6 +/\Rs und R7 nunmehr R7, R7 und R8 nunmehr R8 + AR8 ist, so gilt die Gleichung 1 nicht mehr und zwischen 2 und 3 tritt eine Spannung Eo auf, der Polarität und Grösse von den relativen Werten der verstimmten Widerstände, d. h. von den Differenzen in den oben genannten Verhältnissen, abhängt.
Wenn die R-Werte und AR alle gleich sind und die oben angedeuteten Vorzeichen aufweisen, wie dies bei den vorgenannten Messwertumformern gewöhnlich der Fall ist, so ist (2) E0 = Ei #R/R Dabei ist Eo die Ausgangsspannung zwischen 2 und 3 und Ei die Spannung zwischen 9 und 10. In einem solchen Fall ist Eo also ein Mass für das Verhältnis der Impedanzen benachbarter Zweige.
Die Brücke kann wieder abgeglichen werden, wenn wir ein anderes Potential mit Hilfe einer zweiten Stromquelle an die Brücke legen, d. h. ein Ausgleichspotential in sogenannter Stromstützschaltung.
Das Potential kommt von einer Quelle, die so gepolt ist, dass die Ausgangsklemme mit dem höheren Potential mit der Brückenausgangsklemme mit dem niedrigen Potential verbunden ist. In unserem Falle wird das Plus der zweiten Spannungsquelle mit der Minus-Ausgangsklemme der Brücke verbunden. Der Strom I in jedem Zweig, der durch die in ganzen Linien gezeichneten Pfeile A dargestellt ist, wird um einen Strom AI geändert, der durch die gestrichelten Pfeile B angedeutet ist.
Es kann also, wie in Fig. 1 zu sehen ist, durch Einlegen des Schalters 9'und Einstellen des Potentiometers 10a eine positive Spannung an 3 gelegt werden. Dann fliesst ein Ausgleichsstrom durch den Widerstand 1 Od und die Leitung 15 in die Brücke, bis das Nullinstrument 10b, das z. B. ein Galvanometer sein kann, anzeigt, dass die Brücke abgeglichen ist.
Der Widerstand 10d ist ausreichend gross, um ein Kurzschliessen der Brücke zu verhindern, wenn die Widerstände aller Zweige gleich sind. Der Strom oder eine Funktion desselben kann bei 10c angezeigt werden und ist ein Mass für die ursprüngliche Spannung zwischen 2 und 3, die durch den Ausgleichsstrom der Batterie 10'zu Null gemacht wurde.
Die Batterie 10'ist in Stromstützschaltung mit den positiven und negativen Klemmen der Brücke verbunden, so dass die Ströme in den verschiedenen Zweigen geändert werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Der von 10a hereingespeiste Strom, der durch die gestrichelten Pfeile B dargestellt ist, addiert sich vek- toriell zu den Strömen, die in der Brücke auf Grund der Eingangsspannung Ei fliessen, die bei 9 und 10 angelegt wird. Die letzteren Ströme sind durch die ausgezogenen Pfeile dargestellt. Wie zu sehen ist, werden die Ströme in 5 und 8 vergrössert und mithin der Spannungsabfall in diesen Zweigen vergrössert.
Die Ströme in 7 und 6 werden verkleinert, um den Spannungsabfall in diesen Zweigen zu verringern.
Der Strom A1, der von 10a aus fliesst, um einen derartigen Wiederabgleich herzustellen, wird hier als Ausgleichsstrom oder als örtlicher Strom bezeichnet.
Er oder eine Funktion von ihm kann gemessen werden, und er ist abhängig von der und ein Mass für die Verstimmungsspannung E.,, die sich von einer Änderung der Impedanzen in jedem der Zweige ergibt.
Diese Änderung der Impedanzen führt wiederum zum Auftreten der Spannung Eo.
Es ist zu sehen, dass, solange die Eingangsspannung Ei ungeändert bleibt, die Brücke abgeglichen bleibt, sogar für den Fall, dass der Wert von AR sich ändern sollte. Falls sich AR ändert und damit eine Änderung des Stromes AI erfordert, wird die Brücke dadurch im wiederausgeglichenen Zustand gehalten, dass der Wert des Stromes LI durch Einstellung des Potentiometers 1 Oa angepasst wird.
Es ist mithin eine Schaltung angegeben worden, bei der die Verstimmungsspannung einer Brücke durch die Anwendung eines Ausgleichsstromes und einer Ausgleichsspannung bei der Brücke verringert und, falls erforderlich, ganz beseitigt werden kann, während die Brückenimpedanzen verstimmt sind. Die Grösse des Stromes oder der zugeordneten Spannung kann ein Mass für die Änderung der Impedanzen sein und zur Datenverarbeitung, zum Fernmessen oder für ähnliche Zwecke verwendet werden.
In den Fig. 2 bis 8 sind verschiedene Schaltungen zum Erreichen dieses Ergebnisses angegeben.
In Fig. 2 kann anstelle der Brückenverstimmungsspannung auf die in der Fig. 1 Bezug genommen wurde, ein Mehrfaches der wahren Verstimmungsspannung Eo wiedergegeben werden, die aus der Verstimmung der Impedanzen hervorgeht und durch den gleichen Zustand veranlasst ist, der zur Verstimmung der Brücke nach Fig. 1 geführt hat. Die Verstimmungsspannung zwischen 2 und 3 wird in dem Differentialverstärker verstärkt, dessen Schenkel 11 und 11'als Gegentaktgleichstromverstärker angeordnet sind, dessen Eingangsklemmen 12 und 12'an 2 und 3 gelegt sind.
Die gemeinsame Leitung 13 zwischen 11 und 11'ist an die Ecke 4 über den Widerstand 11c angeschlossen und enthält die Vorspannungswiderstände lla und 11b. Die positive Ausgangsklemme 14 des Verstärkers ist mit der negativen Ecke 3 über den Widerstand 16 verbunden, und die negative Klemme 15 ist an die positive Klemme 2 über den Widerstand 16'angeschlossen. Die Messklemmen, d. h. die Klemmen 17 und 18, führen zu irgendeiner Form eines Datenverarbeitungssystems oder eines Fernmessystems 14', wie das auch in Fig. 1 der Fall ist.
Fig. 3 zeigt eine geänderte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 2, bei der die beiden benachbarten Zweige, z. B. 7 und 8, jeweils aus einem Widerstand 7'bzw. 8', dessenWiderstandswert durch die Einwirkung der festzustellenden Grösse verändert wird, in Kombination mit einem festen Widerstand 20 in Reihe mit 7'und einem festen Widerstand 21 in Reihe mit 8', bestehen. Die Widerstände 20 und 21 haben solche Werte, dass alle Zweige der Brücke den gleichen Widerstandswert erhalten, wenn sie nicht einer Veränderung der Impedanz unter Einwirkung des festzustellenden Zustandes unterliegen, der durch den Messwertumformer zu ermitteln ist, dessen Feststellglied die Brücke ist.
Die Rückführungsleitungen von 14 und 15 über die Widerstände 16 und 16'sind in diesem Fall an die Verbindungen 22 bzw. 23 zwischen den veränderlichen und festen Widerständen in Stromstützschaltung angeschlossen, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Wie in den Fig. 1 und 2 zeigen die vollen Pfeile A den Hauptstrom von den Eingangsklemmen 9 und 10. Die unterbrochenen Pfeile B zeigen den Ausgleichsstrom, der von der Ausgleichsstromquelle 14, 15 geliefert wird. In Fig. 2 gelangt die Rückführungsgrösse von dem Verstärker in der durch die Pfeile B angedeuteten Weise durch die Zweige 5 und 6 in Reihe und die Zweige 7 und 8 in Reihe. In Fig. 3 gelangt die Rückführungsgrösse durch alle veränderli chenWiderstände 8', 6, 5 und 7'in Reihe. Diese Reihenwiderstände liegen parallel zu den festen Widerständen 21 und 20, die ihrerseits in Reihe geschaltet sind. Der Ausgleichsstrom verteilt sich mithin in dem Verhältnis der Widerstandswerte dieser parallelen Widerstandsnetzwerte.
Der Strombeitrag, der durch die gestrichelten Pfeile B angedeutet ist, ergibt also eine Vergrösserung des Spannungsabfalles an den Zweigen 5 und 7' und verringert den Spannungsabfall in 20. Dies führt dazu, dass der Spannungsabfall zwischen 1 und 2 im Vergleich zu dem zwischen 2 und 4 abgeglichen wird.
Der Beitrag des Ausgleichsstromes zu dem Gesamtstrom ist so, dass er den Spannungsabfall in 6 und 8' verringert, dagegen den Spannungsabfall in 21 vergrössert. Da der Widerstandswert von 6'grösser ist als der von 8', verursacht die gleiche Änderung des Stromes eine grössere Differenz im Spannungsunterschied zwischen 1 und 3 als zwischen 3 und 23.
Wenn hierzu die Vergrösserung der Potentialdifferenz an 21 hinzugefügt wird, ist die Nettowirkung die, dass der Spannungsabfall zwischen 1 und 2 noch genauer gleich dem zwischen 3 und 4 gemacht wird.
Wir verwenden vorzugsweise Widerstandswerte für die Widerstände 20 und 21, die nur ein kleiner Bruchteil, etwa 1 bis 5 /o, des Brückenwiderstandes sind, damit der tote Widerstand, d. h. der nicht aktive Widerstandswert, so klein wie möglich ist.
Auf diese Weise wird der Spannungsabfall an 21 vergrössert und der an 20 verkleinert. Dies bringt die Verhältnisse der Spannungsabfälle im wesentlichen auf die Werte der Gleichung 1, d. h. es wird im wesentlichen ein Abgleich der Brücke erreicht.
Wenn man Wert darauf legt, kann das Potential zwischen 2 und 3 im wesentlichen ausgeglichen werden.
Es kann jeder Gleichstromverstärker verwendet werden, wenn er richtig gepolt ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Ausgangsecken 2 und 3 sind an die Eingangsklemmen 12 und 13 des Verstärkers 15'angeschlossen und die positive Ausgangsklemme 14 des Verstärkers ist unmittelbar an die mit der negativen Ecke 3 der Brücke rückgekoppelt. Die negative Klemme 15 des Verstärkers ist über den Widerstand 16 mit der Ausgangsecke 2 der Brücke rückgekoppelt. Die Messgrösse wird bei 17 und 18 abgenommen. Der Rückführungsstrom in der Brücke beeinflusst die Potentiale in der Brücke in ähnlicher Weise wie nach den Fig. 1, 2 und 3.
Fig. 4 ist eine geänderte Ausführungsform, bei der die positive Ausgangsklemme 14 des Verstärkers 15'mit der negativen Klemme 3 der Brücke verbunden ist und die negative Ausgangsklemme 15 des Verstärkers an die Ecke 4 der Brücke angeschlossen ist. Die Messgrösse wird bei 17 und 18 an dem Widerstand 16 abgegriffen, der in Reihenschaltung mit der Ecke 3 liegt. Der Ausgleichsstrom von 14 fliesst durch den Widerstand 8, der parallel zu den Widerständen 6, 5 und 7 liegt. Die zuletzt genannten Widerstände sind in bezug auf den Ausgleichsstrom in Reihe geschaltet. Der Ausgleichsstrom, der durch die gestrichelten Pfeile B dargestellt ist, ergibt keine wirksame Beeinflussung des Potentials des Punktes 2, da er in Reihe durch 5 und 7 fliesst. Das Potential im Punkt 2 bleibt im wesentlichen unverändert von dem Wert im verstimmten Zustand.
Der Ausgleichsstrom fliesst in Gegenrichtung zum Brückenstrom, welcher durch die vollen Pfeile A dargestellt ist, durch den Zweig 6 und verringert den Spannungsabfall an 6.
Ferner fliesst der Strom in Stützrichtung durch den Zweig 8 und vergrössert den Spannungsabfall in 8.
Ferner ist der Widerstand der Zweige 7, 6 und 5 in Reihe gleich 3R-1\R im Vergleich zu R + AR für den Zweig 8. Der Ausgleichsstrom verteilt sich auf die parallelen Pfade, die aus 6, 5 und 7 in Reihe und dem Parallelwiderstand 8 bestehen. Die Wirkung auf den Spannungsabfall im Zweig 8 ist wesentlich grösser als die in den andern Zweigen, so dass die Nettowirkung darin besteht, dass das Potential von 3 im wesentlichen auf das gleiche Niveau wie das in Punkt 2 gebracht wird. Mithin wird die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 2 und 3 beseitigt.
Das Potential bei 2 wird nicht geändert und die Spannungsänderung bei 3 muss ausreichend sein für den Zweck der Widerabgleichung.
In den Fig. 2 bis 4 und 6 ist die Schaltung eine Servoschaltung mit einem geschlossenen Regelkreis, wodurch das Fehlersignal, d. h. die Brückenverstim- mungsspannung, ein Rückführungssignal, das von Natur aus negativ ist, in einer solchen Richtung erzeugt, dass ein Wiederabgleich erreicht und die Verstimmung im wesentlichen zu Null gemacht wird. Der Regelkreis ist mithin elektrisch und in sich geschlossen.
Anstatt den Regelkreis elektrisch und somit automatisch zu schliessen, kann der Regelkreis von Hand geschlossen werden. Dabei wird das Fehlersignal durch eine Spannung beseitigt, die in die Brücke von einer äusseren Stromquelle eingeführt wird, und die Grösse der angelegten Spannung wird von Hand oder mechanisch gesteuert. Die Grösse des Stromes, der in die Brücke von der äusseren Stromquelle eingespeist wird, wird eingestellt, bis ein Nullinstrument anzeigt, dass die Brücke wieder abgeglichen ist. Die Grösse des Stromes oder die Spannung, die aufgewendet werden muss, um die Brücke wieder abzugleichen, ist ein Mass für die Verstimmung der Brücke.
Die zuletzt genannte Schaltung wird in Fig. 5 gezeigt.
Die Brückenzweige 6'und 8'in Fig. 5 sind in Reihe mit festen Widerständen 20 und 21 geschaltet, die ausreichen, um die Brücke wie in Fig. 3 abzugleichen. Die Ausgangsecken 2 und 3 sind durch ein Nullinstrument 24 überbrückt, z. B. ein hochohmiges Galvanometer oder ein anderes Gerät, das die Grösse bzw. Abwesenheit einer Potentialdifferenz zwischen 2 und 3 anzeigt. Der Ausgang 3 ist über einen Widerstand 16 und, falls erwünscht, über das Amperemeter 19 an den Mittelpunkt eines Spannungsteilers angeschlossen, dessen oberer Schenkel das Potentiometer 26 und dessen unterer Schenkel des Potentiometers 29 ist. Jeder Schenkel wird von Batterien oder anderen Spannungsquellen 30 und 31 gespeist.
Der Schieber 27 ist bei 22 an die Verbindungsstelle von Widerstand 20 und Zweig 6'angeschlossen, und der Schieber 28 ist bei 23 mit der Verbindungsstelle der Widerstände 8'und 21 verbunden.
Wenn die Brücke nicht abgeglichen ist, wie oben beschrieben wurde, verursacht die Einstellung der Schieber 27 und 28 die Einspeisung eines Ausgleichsstromes oder einer Ausgleichsspannung in die Brücke, was durch die gestrichelten Pfeile B angedeutet ist. Dadurch wird der durch die Pfeile A dargestellte Brückenstrom geändert, so dass die Brücke zum Abgleich gebracht wird, was durch das Nullinstrument 24 angezeigt wird.
Wegen der Parallelverbindungen der Zweige 6, 5, 7 und 8'in bezug auf die Widerstände 20 und 21 und die Batterien 30 und 31 ändert der Gegenstrom den Brückenstrom in den Zweigen 5 und 7, so dass Punkt 2 auf ein niedrigeres positives Potential in Abhängigkeit von der Grösse der Impedanzänderung und der Grösse des Ausgleichsstromes gebracht wird. Der Spannungsabfall in dem aus 6'und 20 zusammengesetzten Zweig wird verkleinert, dagegen der im Zweig 8'und 21 vergrössert, um die Ecken 3 und 2 im wesentlichen abzugleichen.
Die Spannung an 16 zwischen 17 und 18 oder der vom Aperemeter 19 angezeigte Strom ist proportional der ursprünglichen Verstimmung. In gleicher Weise kann die Stellung der Schieber in dem Potentiometerwiderstand so geeicht werden, dass die ursprüngliche Verstimmung angezeigt wird, da der erforderliche Ausgleichsstrom oder die Ausgleichsspannung proportional dem Teil des Widerstandswertes der Widerstände 26 und 29 in Reihe mit der Brücke ist.
Man kann auch den einen oder den anderen Schenkel der Spannungsteileranordnung weglassen.
Z. B. kann der aus dem Widerstand 26, der Batterie 30 und der Verbindung zwischen 22 und 27 bestehende Schenkel wegfallen. Der Widerstand 20 bleibt zweckmässigerweise in der Brücke, um den anfänglichen Nullabgleich der Brücke zu erhalten.
Die Potentiometerschieber 27 und 28 können jedoch auch elektromechanisch verstellt werden, wie in Fig. 7 gezeigt ist, nach der diese abgewandelte Form auf die Schaltung nach Fig. 5 angewendet ist.
Die Ausgangsgrösse der Brücke bei 2 und 3 wird in 34 verstärkt, und der verstärkte Strom betätigt einen reversiblen Motor 32, der die Abgriffe 27 und 28 über eine mechanische Verbindung 33 betätigt, um die Schieberkontakte 27 und 28 nach oben oder unten in entgegengesetzte Richtung zu verstellen. Dadurch wird die Lage der Potentiometerschieber 27 und 28 verstellt, bis der Ausgleichsstrom und die Ausgleichsspannung das Potential an 2 und 3 auf im wesentlichen den Wert Null wieder abgleichen. Danach wird der Motor unwirksam.
Wie festzustellen ist, würde für den Fall, dass die Polaritäten der Verstimmungsspannung umgekehrt zu der Darstellung der Fig. 2 und 7 wären, die Polarität der Klemmen 14 und 15 und die Richtung des Stromflusses sowie das Potential der zweiten Spannungs-und Stromquelle, d. h. der Verstärker und Batterien, wie die Pfeile zeigen, umgekehrt werden.
Die zweite Spannungs-und Stromquelle kann durch eine geeignete Abgriffsleitung mit dem Eingang verbunden werden. So kann in Fig. 2 die Batterie 10'die gleiche Energiequelle sein, die an 9 und 10 angeschlossen ist. Ferner kann, während der Strom als Gleichstromkreis mit Gleichstromverstärkung dargestellt ist, das Potential zwischen 9 und 10 auch ein Wechselpotential oder ein pulsierendes Potential mit geeigneten Unterschieden sein, wobei geeignete Änderungen bei den Verstärkern und Wechselstromerzeugern vorzusehen sind, wie für den Fachmann ohne weiteres klar ist.
Fig. 8 zeigt eine gemischte Brücke, die aus induktiven Impedanzen 34 und 35 besteht. Diese bilden zwei Zweige der Wheatstoneschen Brücke, deren andere beiden Zweige die in Reihe liegenden nichtlinearen Widerstände 36 und 37 sind. Solche nichtlinearen Widerstände sind im Handel erhältlich. Eine Form solcher Widerstände ist bekannt als Varistor.
Die Brücke wird von einer Wechselspannungsquelle 38 gespeist. Der Kondensator 39 trennt die Gleichstromseite der Brücke von der Wechselstromseite.
Der Ausgang der Brücke an den Ecken 40 und 41 ist mit dem Verstärker 42 verbunden, dessen Ausgang auf den phasenempfindlichen synchronen Demodulator 43 gegeben wird, der mit der Wechselstromquelle durch 44 und 45 verbunden ist. Die demodulierte Ausgangsgrösse wird über die Widerstände 46 und 47 auf die Widerstände 36 und 37 gegeben, wobei die negative Ausgangsklemme mit der positiven Klemme der verstimmten Brücke verbunden ist. Die gewünschte Ausgangsgrösse wird zwischen 17 und 18 am Ausgang des Demodulators 43 abgenommen.
In der ursprünglichen abgeglichenen Lage sind die Impedanzen im Gleichgewicht, und das Verhältnis der Impedanzen der Zweige 34 und 35 ist gleich dem Verhältnis der Widerstände 36 und 37. Wenn die Widerstände 36 oder 37 oder beide geändert werden, so dass einer grösser ist als der andere, z. B. 36 weniger wird als 37, so wird der Ausgleichsstrom durch 36 gerichtet, um den Spannungsfall in 36 zu vergrössern und den an 37 zu verkleinern. Die Ausgangsgrösse wird zwischen 17 und 18 erhalten, wie oben angegeben wurde.
In den obenstehenden Schaltungen ist die Grösse des Stromes, die erforderlich ist, um die Brücke abzugleichen oder auf Null zu bringen, unabhängig von der Grösse des Rückführungswiderstandes. Der Strom, der zum Abgleichen der Brücke erforderlich ist, und damit das Potential an 16 und 16'oder 16, falls dies allein für eine Änderung der Impedanz der Zweige der Brücke verwendet wird, die Verstimmungsspannung an den Ausgangsecken (Eo) und der Brückenwiderstand sind ebenfalls unabhängig von der Grösse des Rückführungswiderstandes.
Deshalb ist, falls der Ausgleichsstrom über den Rückführungswiderstand 16 oder 16 und 16'der Brücke zugeführt wird, um eine zweite Ausgangsspannung Eo'bei 18 und 17 aufzubauen, die Spannungsverstärkung G des Systems, d. h. das Verhältnis von Eo'zu Eo, im wesentlichen gleich dem Verhältnis des Rückführungswiderstandes oder der Rückführungsimpedanz zum Brückenwiderstand oder der Brückenimpedanz. Durch die Verwendung der Widerstände 16 und 16', deren Widerstandswert grösser als der der Brückenimpedanz R, ist, wird mithin ein Potential am Widerstand R der Widerstände 16 oder 16'oder 16 und 16'erhalten, das grösser ist als die ursprüngliche Verstimmungsspannung, die durch den Ausgleichsstrom abgeglichen wird.
Die Grösse dieser Differenz zwischen der entwickelten Spannung und der ursprünglichen Verstimmungsspannung ist durch den Wert von G bestimmt.
Mithin ist Eo ¯G¯ R
Eo R1 Um eine Ausgangsgrösse Eo bei 17 und 18 zu erhalten, die grösser ist als Eo, muss G grösser sein als 1 und R grösser als Ri. Man erhält also durch Festsetzen der Werte der Widerstände 16 und 16'für eine gegebene Brücke eine Ausgangsspannung in dem gewünschten Spannungsbereich, z. B. im Bereich von einigen Volt, obwohl die Ausgangsgrösse Eo kleiner ist als die gewünschte Spannung.
Das Verhältnis von Eo'/Eo kann genau eingehalten werden, falls der Verstärker in den Fig. 2 bis 8 einen genügenden Verstärkungsfaktor aufweist, um einen ausreichenden Ausgleichsstrom bei dem Maximalwert der Impedanzänderung zu liefern, d. h. dem vollen Skalenwert. Der Verstärker sollte einen Verstärkungsfaktor grösser als G haben, d. h. grösser als das Verhältnis von Rückführungswiderstand oder -impedanz zu Brückenwiderstand oder-impedanz.
Die Tatsache, dass die Spannungsverstärkung der angegebenen Schaltung nur von dem Verhältnis zweier Widerstände oder Impedanzen abhängt, bietet viele bedeutende Vorteile. Einige von diesen werden im folgenden angegeben :
Solange der Verstärkungsfaktor des Verstärkers oberhalb des erforderlichen Minimums bleibt, spielt es keine Rolle, wie gross der Verstärkungsfaktor tatsächlich ist. Dies wird daraus klar, dass der Strom, der den für den Abgleich erforderlichen Wert überschreitet, nicht verstärkt wird (völlige Rückfühmng).
Dies bedeutet, dass der Verstärker keine Stabilität oder Linearität haben muss, wie Verstärker, die zur Verstärkung von Signalen mit niedrigen Pegel verwendet werden. Dies gilt, solange über den nutzbaren Bereich der Änderung der Impedanzen AR, d. h. für den Skalenendwert und in dem Bereich der Temperaturen, denen die Brücke ausgesetzt ist, der Verstärkungsfaktor des Verstärkers grösser ist als das Verhältnis von Eo'/Eo bei dem Skalenendwert. Es ist jedoch zu bevorzugen, dass die Widerstände oder Impedanzen der Brücke und die Rückführungsimpedanzen entweder einen im wesentlichen konstanten Wert des Widerstandes oder der Impedanz aufweisen oder sich bei Temperaturänderungen nur geringfügig ändern oder dass die Änderung in der gleichen Richtung um den gleichen Prozentwert erfolgt wie Änderungen der Temperatur.
Eine Ausgangsspannung, die nicht von der Temperatur beeinflusst wird, hängt nur von der Konstanz der Spannungsquelle ab, die die Brücke speist. Eine solche konstante Eingangsspannung steht normalerweise zur Verfügung.
Die neue Schaltung kann so ausgebildet werden, dass grosse Verstärkungsfaktoren bei kleiner Ausgangsimpedanz erhalten werden. Dies wird erreicht durch Einfügen eines toten Widerstandes in einen oder mehrere Brückenzweige (vergl. Fig. 3, 6 und 7).
Der Ausgleichsstrom muss dann durch diese toten Widerstände 21 und 22 fliessen, die ein Bruchteil des Widerstandes jedes Zweiges sein können. Die Rückführungswiderstände 16 oder 16 und 16'sind hierbei von der gewünschten Grösse, die für den beabsichtigten Verstärkungsfaktor erforderlich ist.
Eo kann auch für den Fall, dass keine Beeinflussung vorliegt, einen endlichen Wert haben, wenn die Brücke ursprünglich verstimmt aufgebaut ist. Bei üblichen Brücken müssen grosse Sorgfalt und Mühen aufgewendet werden, um die Brücke durch Einfügen von Abgleichwiderständen abzugleichen. Der sog.
Nullwert, d. h. die Ausgangsgrösse der Brücke, wenn die festzustellende Grösse nicht vorliegt, ist in solchen ursprünglich nicht abgeglichenen Brücken ein endlicher Wert. Es können aber auch derartige Abgleichwiderstände verwendet werden, um die Brücke anfänglich abzugleichen.
Eo kann sich auch infolge von Änderungen der Temperatur ändern, ob die Brücke abgeglichen ist oder nicht, für den Fall, dass der Wandler auf die Eichtemperatur geeicht ist. Dies kann sich aus der Einwirkung der Temperatur auf mechanische Teile des Wandlers ergeben, die eine unterschiedliche Ausdehnung seiner Teile hervorruft und eine Änderung der Impedanzen der Zweige der Brücke verursacht.
Eo kann sich ferner auch durch Änderungen der Impedanzen der elektrischen Teile der Brücke oder Brückenschaltung ändern.
Diese Probleme bestehen in üblichen Brücken, z. B. solchen, die für Zugspannungen empfindliche Drähte verwenden. Sie wurden durch verschiedene Massnahmen gelöst, z. B. durch Einschalten temperaturempfindlicher Widerstände in Reihe mit oder parallel zu den Zweigen der Brücke.
Es können geeignete Temperaturkompensations- schaltungen in Verbindung mit der Wheatstoneschen Brücke sowie in Verbindung mit den Brückenschaltungen verwendet werden, wo eine Temperaturkom- pensation erforderlich ist. Anstelle von oder zusätzlich zu solchen Temperaturkompensationsverfahren können wir einen Widerstand 16 oder 16 und 16' verwenden, dessen Widerstandsänderung gleich der Änderung ist, die sich für einen endlichen Wert von Eo bei Änderungen der Temperatur ergibt, so dass sich Eo'der Grösse nach derart ändert, dass Änderungen des Wertes von Eo eliminiert werden. Man kann dies dadurch zustande bringen, dass der Wert der Abgleichspannung, die an die Brücke gelegt wird, so eingestellt wird, dass, falls kein Messwert vorliegt, die Ausgangsgrössen der Verstärker zum Abgleichen der Brücke ausreichen.
So werden z. B. die Vorspannungswiderstände lla und llb des Differentialver stärkers dazu verwendet, dass das Ausgangspotential bei 14 und 15 in einem Masse verstimmt sein kann, das ausreicht, um eine Verstärkerausgangsgrösse E zu schaffen, die die Brücke ins Gleichgewicht bringt und den Wert Eo auf im wesentlichen Null verringert.
Die Widerstände 1 la und 11b können temperaturempfindlich sein, so dass sie den Verstärker verstimmen, damit das erforderliche und entgegengesetzte Potential bei 2 und 3 erzeugt wird. Dies gleicht die Verstimmung aus, d. h. die Nullpunktverschiebung, die durch die Wirkung von Temperaturänderungen im Wandler und der Brücke hervorgerufen wird.
Falls die Nullpunktverschiebung positiv ist, d. h. grösser wird mit wachsender Temperatur, kann einer oder der andere der Widerstände 1 la oder 116. mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ausgeführt sein. Dadurch vergrössert sich die Spannungsdifferenz zwischen 14 und 15 bei einem Ansteigen der Temperatur, und zwar idealerweise um einen solchen Wert, der ausreicht, um die Nullpunktabweichung zu kompensieren.
Die oben angegebene Massnahme kann auch dazu getroffen werden, um die Brücke bei der Eichtemperatur abzustimmen, wenn als Ergebnis der Herstellung die Brücke bei Null einen endlichen Ausgangswert E zeigt. Der Wert der Widerstände 1 la und 11 b ist dann ursprünglich verstimmt. Deshalb wird eine Spannung bei 14 und 15 erzeugt, die hinreicht, um die Brücke abzugleichen und den Wert von Eo im Idealfall auf Null zu verringern.
Die Temperatur kann zusätzlich zu Änderungen des Wertes von Eo bei Null auch den Verstärkungsfaktor G des Systems beeinflussen, der, wie oben gezeigt wurde, im wesentlichen gleich dem Verhältnis oder einem Bruchteil des Verhältnisses von Wiederabgleichungswiderstand 16 oder 16'zum Brückenwiderstand für den Ausgleichsstrom ist. Falls sich dieser Teil des Brückenwiderstandes mit der Temperatur ändert, auch wenn sich der Wert von Eo wegen der oben beschriebenen Kompensation nicht mit der Temperatur ändert, so kann sich der Verstärkungsfaktor G ändern und auch der Wert von Eo'. Diese Änderung von G kann verringert und Idealfall vermieden werden, wenn temperaturempfindliche Widerstände in der Brücke und als Widerstände 16 und 16'angewendet werden.
Als Alternative kann der Temperaturkoeffizient von 16 und 16'so gewählt werden, dass er im wesentlichen gleich dem Temperaturkoeffizienten des Teiles der Brückenimpedanz ist, der vom Ausgleichsstrom durchflossen wird.
Während die Grundzüge unserer Erfindung unter Bezug auf eine Widerstandsbrücke beschrieben wurden, ist nunmehr verständlich, dass die Widerstände in den Zweigen nicht ohmisch zu sein brauchen. Sie können induktiv sein, wie dies bei Induktivitätsbrükken der Fall ist, oder kapazitiv, wie dies bei Kapazitätsbrücken vorliegt, mit für solche Zwecke geeigneten Eingangsgrössen.
Der übertragungsfaktor des Wandlers und somit der Wert von Eo für einen gegebenen zu erfassenden Zustand, kann sich ebenfalls mit der Temperatur ändern. Dies wird dadurch kompensiert, dass die Widerstände 16 oder 16 und 16'von einem Widerstand gebildet werden, dessenWiderstandsänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur die vorgenannten Änderungen des Übertragungsfaktors kompensieren können.
Wenn die Impedanzen 16 oder 16 und 16'dem einfachen ohmschen Gesetz gehorchen, ist die Spannung an 17 und 18 direkt proportional dem Ausgleichsstrom. Wir können aber durch Verwendung von Impedanzen, die nicht der direkten Proportionalität unterliegen, eine Ausgangsgrösse Eo'erhalten, die jede beliebige Funktion des Ausgleichsstromes ist. So kann z. B. durch Verwendung eines Widerstandes oder Widerstandsnetzwerkes eine kontinuierliche Funktion erhalten werden, die durch den fol gendenAusdruck dargestellt ist : (3) En = R. I.
Dabei ist R die Impedanz von 16 oder 16 und 16', 1 der Ausgleichsstrom und En = Eo'. Der Exponent n hat einen Wert der verschieden ist von 1, z. B. bis etwa zum Wert 10. Solche Impedanzen sind im Handel erhältlich (Varistoren), für die der Wert n im Bereich von mehr als 1 bis zu 5 hinauf liegt.
Während vorstehend eine Schaltung mit einer Wheatstoneschen Brücke beschrieben worden ist, bei der alle vier Zweige in ihren Impedanzwerten verändert werden, ist für den Fachmann klar, dass die Grundsätze auch auf Brücken anwendbar sind, bei denen weniger als alle Zweige in den Impedanzwerten geändert werden können, solange wenigstens ein Zweig in seiner Impedanz derart geändert wird, dass die Spannung Eo gebildet wird. Fig. 8 zeigt eine Brücke, in der zwei der Zweige im Widerstand geändert werden. Für die Widerstandsänderung können auch ein, zwei oder drei Zweige benutzt werden.