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Die Erfindung betrifft eine Meßbrückenschaltung
in Dreileitertechnik gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Meßverfahren mit einer Meßbrückenschaltung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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Beim Einsatz von Dehnungsmeßstreifen
zur Meßwerterfassung
werden diese meist mit Kompensationsdehnungsmeßstreifen oder Ergänzungswiderständen zu
einer Wheatstone'schen-Brücke verschaltet.
Insbesondere wenn Einzeldehnungsmeßstreifen über längere Leitungswege mit den übrigen Brückenzweigen
zu einer sogenannten 1/4-Brücke verbunden
werden, können
die Leitungswiderstände zu
Spannungsabfällen
führen,
die die Meßgenauigkeit
erheblich beeinträchtigen.
Dabei hängen
die Spannungsabfälle
im wesentlichen von den Leitungslängen und Querschnitten zwischen
den Dehnungsmeßstreifen
und den übrigen
Ergänzungswiderständen und
auch von den Umgebungstemperaturen ab. Bei Meßaufgaben, bei denen es nicht
möglich
oder sinnvoll ist, die Dehnungsmeßstreifen in der Nähe der Brückenergänzung anzuordnen,
kann der Einfluß dieser
Spannungsabfälle
durch schaltungstechnische Maßnahmen
minimiert werden.
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Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle
Spannungsanalyse, Düsseldorf
1999, Seiten 674 bis 676 ist eine Viertel-Brücke
in sogenannter Dreileitertechnik vorbekannt, durch die derartige Spannungsabfälle in den
Anschlußleitungen
meßtechnisch
berücksichtigt
werden. Dazu wird der Dehnungsmeßstreifen über zwei Zuleitungen mit den
Ergänzungswiderständen und
der Speisespannungsquelle verbunden. Über eine dritte Anschlußlei tung wird
in die Meßdiagonale
der Brücke
ein Operationsverstärker
geschaltet, so daß dadurch
die beiden Spannungsabfälle
in verschiedenen Brückenzweigen wirksam
werden und sich bei gleicher Größe kompensieren.
Hierdurch werden zwar die Nullpunktfehler vermieden, aber der Einfluß auf die
Empfindlichkeit kann damit nicht beseitigt werden.
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Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle
Spannungsanalyse, Seite 676 ist eine sogenannte Vierleiterschaltung
vorbekannt, mit der eine derartige Empfindlichkeitsminderung vermieden wird.
Dazu ist ein in Viertelbrückenschaltung
befindlicher Dehnungsmeßstreifen über vier
Zuleitungen mit den übrigen
Brückenelementen
verbunden, wobei der Spannungsabfall auf der einen Speiseleitung durch
einen Operationsverstärker
zwischen der Speiseleitung und einer Fühlerleitung ausgeglichen wird. Weiterhin
sind zwischen einer weiteren Speiseleitung und einer Meßleitung
noch zwei Operationsverstärker
vorgesehen, die den Spannungsabfall auf der zweiten Speiseleitung
durch eine zusätzliche
interne Halbbrücke
symmetrisch auf die beiden Brükkenzweige
verteilen und die Speisespannung um den Spannungsabfall auf dieser
Speiseleitung entsprechend erhöhen,
so daß auch
die Empfindlichkeitseinbuße
vermieden wird. Allerdings gibt es häufig Anwendungsfälle, bei
denen sehr große
Meßstellenzahlen
vorkommen, wie z. B. bei der Strukturanalyse von Flugzeugteilen,
wo der Bauteileaufwand durch die Speisespannungsnachregelung in
jedem Verstärkerkanal
groß wird.
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Aus der
DE 199 57 088 A1 ist eine
Meßbrückenschaltung
in Dreileitertechnik bekannt, mit der alle Leitungsabfälle auf
den Speiseleitungen ausgeregelt werden. Dabei wird zwischen einer
der Speiseleitungen und einer quasi stromlosen Meßleitung
ein zusätzlicher
hochohmiger Verstärker
geschaltet, der den Spannungsabfall auf einer der beiden Speiseleitungen
erfaßt
und mit einem Verstärkungsfaktor
von 2 verstärkt.
Dieser verdoppelte Spannungsabfall wird dann der Brückenspeisespannung
zu addiert, so daß an
beiden Halbbrückenzweigen
eine um die Speisespannungsabfälle
erhöhte
Brückenspeisespannung anliegt.
Diese Schaltung erfordert für
jeden Verstärkerkanal
eine Nachregelung der Speisespannung der vollständigen Brücke und deshalb eine separate interne
Halbbrücke.
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Eine elektrische Vielstellenmeßeinrichtung ist
aus der
DE 33 44 363
C2 bekannt, die eine von Einflüssen der Leitungswiderstände und
der Kontaktwiderstände
freie Speisespannung zur Speisung eines Widerstandsgebers zur Verfügung stellt.
Dazu ist eine Speiseschaltung vorgesehen, die über zwei Leitungen mit einer
Stromquelle verbindbar ist, die einen konstanten eingeprägten Gleichstrom
an die Speiseschaltung liefert. Die Speiseschaltung enthält dabei einen
von dem konstanten eingeprägten
Gleichstrom durchflossenen Gegenkopplungswiderstand, der im Strompfad
einer Speiseleitung angeordnet ist. Die Speiseleitung enthält ferner
einen Regelverstärker und
einen hochohmigen Spannungsteiler, welche aus der Stromquelle gespeist
werden. Der Ausgang des Regelverstärkers ist über einen Widerstand mit dem
Endpunkt des Spannungsteilers verbunden und der Regelverstärker vergleicht
die am Gegenkopplungswiderstand anfallende Gegenkopplungsspannung
mit der an einem Widerstand des Spannungsteilers anliegenden Teilerspannung
und regelt diese Teilerspannung so, dass am Ort des Widerstandsgebers
eine vorgebbare konstante Gleichspannung zur Verfügung steht.
Dazu sind aber zwischen dem Widerstandsgeber und der Speiseschaltung
mindestens drei Speiseleitungen und zwei Messleitungen erforderlich,
die insbesondere bei Vielstellenmeßschaltungen einen hohen Aufwand
notwendig machen.
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Aus der
DE 29 00 323 A1 ist eine
Schaltungsanordnung zur Linearisierung eines Platinwiderstandstermometers
bekannt. Dazu ist ein Operationsverstärker in invertierender Schaltung
vorgesehen, der mittels einer Hilfsspannung und einem Widerstand
dem Messwiderstand und einem dazu in Reihe geschalteten weiteren
Widerstand einen konstanten Strom einprägt. Weiterhin ist noch ein
zweiter Operationsverstärker
vorgesehen, der die Spannung am in Reihe geschalteten Widerstand
der gleich dem Messwiderstand ist, mit doppelten Verstärkungsfaktor
vergrößert und
die Summenspannung am Messwiderstand und den dazu in Reihe geschalteten
Widerstand mit einem einfachen, gleichen Verstärkungsfaktor verkleinert und
somit die Ausgangsspannung bildet, die den Strom durch den Messwiderstand
und den dazu in Reihe geschalteten Widerstand linearisierend korrigiert.
Diese Schaltungsanordnung ist nicht geeignet, längere Anschlußleitungen
in einer Messbrückenschaltung
zu kompensieren.
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Eine Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Kompensation
des ohmschen Widerstandes der Verbindungsleitungen zwischen Widerstandsgebern
und einem Messgerät
ist aus der
DE 25 18
422 A1 bekannt. Bei dieser Messschaltung bildet der Widerstandsgeber
einen Teil des Brückenzweiges
in einer Brückenschaltung,
deren Diagonalspannungen dem Eingang eines Verstärkers zugeführt werden. Der Widerstandsgeber
wird auch hier mit einem konstanten Strom gespeist. Für den Betrieb
der Schaltung sind ebenfalls drei Leitungen erforderlich, zudem
wird ein Hilfsverstärker
benötigt,
der über
getrennte Leitungen mit einer Hilfsspannung zu versorgen ist.
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Eine Schaltungsanordnung zur Messung
von Widerständen
ist aus der
DE 24 47
629 A1 bekannt, die eine Dreileiterschaltung zum Ausgleich
von Leitungseinflüssen
darstellt. Dazu ist eine Konstantstromquelle zur Speisung des Messwiderstandes über zwei
der drei Leiter durch mindestens einen Operationsverstärker vorgesehen,
dessen Eingänge einerseits
mit einem stromführenden
Leiter und andererseits mit dem dritten Leiter zur Bestimmung des Spannungsabfalls
an einem stromführenden
Leiter ver bunden sind. Dabei ist der Verstärker so geschaltet, dass an
seinem Ausgang eine gegenüber
der Eingangsspannung invertierte und dem Betrage nach dem Spannungsabfall
in einem stromführenden Leiter
angepasste Ausgangsspannung erscheint, die zur Kompensation des
Spannungsabfalls an beiden stromführenden Leitern verwendet wird.
Zur Dehnungsmessung in Vollbrückenschaltungen
ist eine derartige Konstantstromspeiseschaltung allerdings nicht
geeignet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, eine Meßbrückenschaltung
mit Einzeldehnungsmeßstreifen
in Dreileitertechnik und ein damit durchführbares Meßverfahren zu schaffen, durch
die auch längere
Anschlußleitungen
kompensierbar sind und dies bei geringstem Aufwand.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch
1 und 6 angegebene Erfindung gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den
Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Brückenversorgung
und die interne Halbbrücke
außerhalb
des Regelkreises vorgesehen sind. Dies ermöglicht bei mehrkanalig ausgeführten Meßverstärkern nur
eine globale Brückenspeisung
und nur eine interne Halbbrücke
auszuführen,
welche von allen Meßkanälen einer
Verstärkerbaugruppe
genutzt werden können.
Insbesondere bei der Vielkanalmeßtechnik zur Dehnungsmessung
mit Dehnungsmeßstreifen
an belasteten Bauteilen wird dadurch der Schaltungsaufwand und der
dafür notwendige
Platzbedarf erheblich verringert. Dabei hat sich bei der Dehnungsmessung
eine Speisespannungsversorgung der Brücke als vorteilhaft erwiesen,
da sich hierbei die Brücke
linear verhält.
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Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil,
daß durch
die Ausregelung der Leitungsspannungsabfälle nur in der Dehnungsmeßstreifenviertelbrücke oder nur
in der Ersatzwiderstands viertelbrücke keine Nullpunktverschiebung
und kein Empfindlichkeitsverlust eintritt. Dazu kann die gesamte
Leistungsausregelung durch einen Kompensationsverstärker und
eine Spannungs teilerschaltung erfolgen, wodurch der Schaltungsaufwand
und der Platzbedarf insbesondere bei Vielstellenmeßschaltungen
minimiert werden kann.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
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1:
eine Meßbrückenschaltung
in Dreileitertechnik mit Ausregelung der Leitungseinflüsse.
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In 1 der
Zeichnung ist eine Meßbrückenschaltung
mit einem Dehnungsmeßstreifen 1 in ¼-Brückenschaltung
dargestellt, der über
drei Anschlußleitungen 7 mit
den weiter entfernt angeordneten Brückenzweigen in einer Meßverstärkerschaltung 3 verbunden
ist, an die eine interne Halbbrücke 5 und
eine Speisespannungsversorgung 6 angeschlossen ist.
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Die Brückenschaltung besteht im wesentlichen
aus einem Dehnungsmeßstreifen 1,
der als veränderbarer
Widerstand dargestellt ist. Dieser Dehnungsmeßstreifen 1 ist an
einem nicht dargestellten zu messenden Bauteil befestigt. Dabei
wird in der Regel die Dehnung dieses belasteten Bauteils in einem
Versuchsaufbau gemessen. In der Praxis können deshalb einige tausend
dieser Dehnungsmeßstreifen 1 an
dem zu untersuchenden Bauteil angebracht sein, die dann mit den
weiter entfernt angeordneten Meßverstärkerschaltungen 3 verbunden
sind. Jeder Dehnungsmeßstreifen 1 ist
zur Erfassung der Dehnung als ¼-Brücke geschaltet
und über
zwei Anschlußpunkte
mit den drei Anschlußleitungen 7 mit der übrigen Meßbrückenschaltung 3, 5, 6, 10 verbunden.
Dabei können
die Anschlußleitungen
auch bis zu einigen hundert Metern Länge betragen und sind deshalb
aus Kosten- und Platzgründen
meist aus dünnen
Kupferleitungen gefertigt. Da zwei Anschlußleitungen 2, 4 zur
Speisung des Dehnungsmeßstreifens 1 dienen,
verursachen diese Kupferleitungen durch ihre Leitungswiderstände RL1 und RL2 die Spannungsabfälle ΔU1 und ΔU2. Diese beiden Anschlußleitungen 2, 4 sind
mit der Meßverstärkerschaltung 3 verbunden,
die im wesentlichen aus der Ergänzung des
Viertelbrückenzweiges
und der Leitungsausregelung besteht.
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Der Dehnungsmeßstreifen 1 ist mit
einer ersten Speiseleitung 2 mit dem Ausgang eines ersten Kompensationsverstärkers V1
verbunden, der mit seinem hochohmigen Minuseingang mit einer Fühlerleitung 2' beschaltet
ist. Der andere Verstärkereingang
ist über
einen Spannungsteiler R1, R2 mit der Speisespannungsquelle 6 und
einer internen Hilfsbrücke 5 verbunden.
Die Spannungsteilerschaltung besteht aus den Widerständen R1
und R2, die gleiche elektrische Werte besitzen. Dabei ist der Widerstand
R2 im Rückkopplungszweig
(Mitkopplung) des Kompensationsverstärkers V1 zum Ausgang 2 angeordnet.
Dadurch erhöht
sich die Ausgangsspannung des Kompensationsverstärkers V1 bei einem Speisespannungsverlust
auf der Speiseleitung 2 um den doppelten Betrag. Damit
wird gleichzeitig auch der als gleich groß angenommene Leitungsverlust ΔU1 auf der Speiseleitung 4 ebenfalls
mit ausgeregelt, so daß alle
Leitungsspannungsabfälle ΔU1 und ΔU2 vollständig
im Viertelbrückenzweig
des Dehnungsmeßstreifens 1 kompensiert
werden.
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Eine zweite Speiseleitung 4 des
Dehnungsmeßstreifen 1 ist
zum einen mit dem Ergänzungswiderstand 8 in
der Meßverstärkerschaltung 3 verbunden,
der die Viertelbrücke
des Dehnungsmeßstreifens 1 zu
einer Halbbrücke
ergänzt.
Der zweite Anschluß des
Ergänzungswiderstandes 8 ist
mit der internen Halbbrücke 5 und
der Speisespannungsquelle 6 verbunden. Da beide Leitungsspannungsabfälle dem
Dehnungsmeßstreifen-Viertelbrückenzweig
zugeschlagen werden, entsteht keine Nullpunktabweichung im Diagonalmeßzweig der
Vollbrücke,
so daß der
Meßwert
durch den Verstärker
V3 direkt im Diagonalzweig erfaßt
und verstärkt
werden kann.
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Der Diagonalmeßzweig wird durch den Mittelabgriff
zwischen dem Dehnungsmeßstreifen 1 und dem
Ergänzungswiderstand 8 an
der Meßleitung 4, sowie
dem Mittelabgriff 9 an der internen Halbbrücke 5 mit
den beiden gleichartigen Hilfswiderständen RH gebildet,
die mit den beiden Viertelbrücken
aus den Dehnungsmeßstreifen 1 und
dem Ergänzungswiderstand 8 eine
Wheatstone'sche
Vollbrücke
darstellt. Da die Speisespannung durch die Nullpunktstabilität im Diagonalzweig
nicht nachgeregelt werden muß, kann
die interne Halbbrücke 5 direkt
an eine konstante Brückenspannung
gelegt werden und global für alle
Verstärkerschaltungen
außerhalb
des jeweiligen Verstärkerkanals 3 angeordnet
sein. Dadurch kann auch die Brückenspannungsquelle 6 noch
von weiteren Meßverstärkerschaltungen 5 anderer
Meßkanäle genutzt
werden, wodurch bei einer Vielstellenmeßverstärkergruppe erhebliche Bauelemente
und Bestückungsraum
einzusparen sind. Der direkt im Diagonalzweig 4, 9 angeordnete
Meßverstärker V3
erfaßt
und verstärkt
dabei unmittelbar die Dehnung oder einen davon abgeleiteten Meßwert am
Dehnungsmeßstreifen 1,
der in einer Anzeigevorrichtung 10 anzeigbar und/oder in
einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung weiterverarbeitbar
ist.