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Verfahren zur leistungslosen Anzeige der Verstimmung einer elektrischen
Meßbrücke nach einer Kompensationsmethode und Vorrichtung an einer elektrischen
Meßbrücke zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur leistungslosen Auzeige der Verstimmung einer elektr5ischen Meßbrücke
nach einer Kompensationsmethode, bei der ein. Kompensationspotential erzeugt nach
einer Nullmethode mit der Ausgangsspannung der Meßbrücke verglichen und verändert
wird, bis es gleich bzw. entgegengesetzt gleich ist der Brückenausgangsspannung
und die Größe des Kompensationspotentials als Maß für die Brückenverstimmung verwendet
wird, und auf eine Vorrichtung an einer elektrischen Meßbrücke zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, daß bei elektrischen Meßbrücke mit direkter Anzeige
durch ein an den Brückenausgang angeschlossenes Melinstrument eine Beeinflussung
des Meßergebnisses durch den im Anzeige instrument fließenden Ausgangs strom verursacht
wird. die rechnerisch außerordentlich schwer zu erfassen ist. Vor allem ist es aber
auch shcwierig, eine den Naullabgleich der Brücke nicht beeinflussende Veränderung
der Empfindlichkeit der Brücke zu erzielen, weil bei einer einfachen Erhöhung der
Eingangsspannung der Brücke Nichtlinearitäten in den einzelnen Brückenclementen
auftreten können und weil bei Veränderung von Brückenelementen je deren zwei z.B.
genau gleiche oder genau reziproke Änderungen erfahren müssen, was praktisch schwer
durchführbar ist, Es wurde bereits bekannt, diese Nachteile üblicher Meßbrücken,
durch Anwendung einer Kompensationsmethode zu vermeiden, bei welcher Kompensationsmethode
ein Kompensationspotential erzeugt, nach einer Nullmethode mit der Ausgangsspannung
der Meßbrücke verglichen und verähdert wird, bis es gleich bzw. entgegengesetzt
gleich ist der Brückenausgangsspannung und die Größe des Kompensationspotentials
als Maß für die Brückenverstimmung verwendet wird. damit kann der in der Berechnung
schwer erfaßbare Ausgangsstrom der Br2cke vermieden werden. bei einer bekannten
Schaltung zur Durchführung einer derartigen Kompensationsmessung sind einfache Regelwiderstände
in Serie an die eine Ausgangsklemme der Meßbrücke angeschaltet, in welchen Regelwiderständen
ein veränderbares Kompensationspotential erzeugt werden kann, Da bei dieser Schaltung
das Kompensationspotential nur einseitig des Potentials der erwähnten einen Brückenausgangsklemme
liegen kann, erlaubt diese Kompensationsmessung nur die Messung von einseitigen
Brückenverstimmungen, d. h., es können nur Größen gemessen werden, die z. B. alle
größer sind als ein bestimmter Nullwert. Damit wird die Verwendbarkeit und der Meßbereich
mit diesem bekannten Verfahren stark eingeschränkt, und es steht insbesondere nicht
der größtmögliche Meßbereich im günstigsten Gebiet in der Nähe des Brückengleichgewichtes
zur Verfügung.
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Alle diese Nachteile können nun beim eingangs genannten Meßverfahren
dadurch vermieden werden, daß erfindungsgemäß ein bezüglich der einen Ausgangsklemme
der meßbrücke mindestens annähernd symmetrisches Potentialgefälle erzeugt und nach
der Nullmethode innerhalb des Potentialgefälles der Punkt ermittelt wird, welcher
dasselbe Potential aufweist wie die andere Ausgangsklemme der Meßbriicke.
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Es ist nun möglich, beliebige unterhalb oder oberhalb eines gewissen
Nullwertes liegende Größen, d. h. ohne Veränderungen der Schaltung jede Größe von
praktisch Null bis Unendlich zu messen, während die bekannte Schaltung ohne Umpolung
von Anschlüssen, oder Auswechseln von Schaltelementen nur Größen oberhalb oder unterhalb
eines bestimmten Nullwertes messen kann. Bei der bekannten Schaltung besteht die
Notwendigkeit, zur Änderung des Meßbereiches Brückenelemente gegen, solche anderer
Größenordnung auszutauschen. Solche Maßnahmen fallen, bei der Meßbrücke gemäß vorliegen.
der An, meldung gänzlich fort, indem, wie erwähnt, bei geeigneter Größe des symmetrisch
zur einen Brückenausgangsdiagonate liegenden Kompernsationspotentials jede beliebige
Größe
ohne Veränderung der Schaltung meßbar ist.
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Wird zur Erzeugung des Kompensations-Potentialgefälles gemäß der Erfindung
eine Hilfsbrücke verwendet, so bietet sich die sehr interelssante Möglichkeit, die
Hilfsbrücke ebenfalls als Meßbrücke zu verwenden und somit mehrere Meßgrößen zugleich
zu berücksichtigen. Es ist auch eine sehr einfache Verstellung der Empfindlichkeit
bzw. des MeßbereSiches der Brücke möglich, indem das Kompensations-Potentialgefälle
verändert wird.
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Es ist an sich auch bereits bekannt, einer Meßbrücke eine stets gleichbleibende
Kompensationsschaltung in der Weise zuzuordnen, daß die Kompensationsschaltung stets
eine richtige Kompensation von fremden Temperatureinflüssen in der eigentlichen
Meßbrücke ergibt. Diese Kompensationsschaltung wird jedoch bei der Fabrikation der
Brücke fest abjeglichen und bei der eigentlichen Brückenmessung nicht verstellt,
um eine Kompensationsmessung zu ermöglichen Bewifift also die Messung eine Brückenverstimmung,
so wird in der Ausgangsdiagonale der Brücke in der üblichen Weise ein Strom fließen,
welcher durch ein Instrument angezeigt wird. Diese bekannte Kompensationsschaltung,
die lediglich der Korrektur unvermeidbarer Temperatureinflüsse in der Meßblrückel
dient, hat daher mit der Kompensationsmessung nach der vorliegenden Erfindung nichts
gemeins am.
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Die Vorrichtung an einer elektrischen Meßbrücke zur Ausübung des
Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung ist gekennzeichnet durch ein an die eine
Ausgangsklemme der Meßbrücke angeschlossenes Netzwerk zur Erzeugung zweier bezüglich
dieser Ausgangsklemme auf verschiedenen Seiten liegender Potentialpunkte und durch
ein zwischen der anderen Ausgangsklemme der Meßbrücke und einem veränderbar zwischen
den beiden genannten Potentialpunkten liegenden Potentialpunkt angeordnetes Meßgerät.
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Das Netzwerk kann vorzugsweise als Hilfsbrücke ausgebildet sein.
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Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß
der Erfindung, und zwar in Fig. 1 an einer Gleichstrommeßbrücke und in Fig. 2 an
einer Wechselstrommeßbrücke.
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In Fig. 1 ist die eigentliche Gleichstrommeßbrücke mit I bezeichnet,
während mit II eine Hilfsbrücke bezeichnet ist. Die Meßbrücke 1 weist in zwei Brückenzweigen
in Abhängigloeit von der Meßgröße veränderliche Widerstände 1 und 2 auf, während
die zwei anderen Brückenzweige durch die veränderbaren Teilwiderstände eines Potentiometers
3 gebildet sind. Die Hilfsbrücke II ist ähnlich aufgebaut wie die Meßbrücke I und
weist in zwei Brücken, zweigen feste Widerstände 4 und 5 auf, während die zwei anderen
Brückenzweige durch die veränderbaren Teilwiderstünde eines Potentiometers 6 gebildet
sind. Die Brücken I und II werden von Batterien 7 bzw. 8 mit einer durch Vorwiderstände
9 bzw. 10 regelbaren Eingangsspannung gespeist. Zwischen die beiden veränderbaren
Abgriffe der Potentiometer 3 und 6 ist ein die Stromrichtung anzeigendes Meßinstrument.
z. B. ein Drehspulinstrument 11, eingeschaltet. Die beiden Brückenpunkte 12 und
13 sind über Erde miteinander verbunden.
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Die dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt: Es wird zunächst
angenommen, daß die Meßbrücke 1 im Nullpunkt abgestimmt ist und daß der Abgriff
des Potentiometers 6 ein Potential abgreift, das gleich ist dem Potential des Abgriffes
auf dem Potentiometer 3, Es fließt daher im Meßinstrument 11 kein Strom, was
entsprechend.
durch die Nullage des Instrumentes angezeigt wird. wird nun die Meßbrücke I durch
Veränderung eines oder beider Widerstände 1 und 2 verstimmt, so fließt in dem zwischen
dem Punkt 12 und dem Abgriff des Potentiometers 3 liegenden Ausgangskreis der Meßbrücke
I ein Strom. Da, aber die Hilfsbrücke II in diesen Ausgangskrei s eingeschaltet
ist, fließt dieser Strom über dieselbe, über den Abgriff des Potentiometers 6 und
über das Meßinstrument 11, welches damit aus seiner Nullage gebracht wird. Bei statischen
oder quasistatischen Messungen wird nun das Potentiometer 6 so lange verstellt,
bis das Meßinstrument 11 wieder seine Nullage einnimmt, d. h. bis das auf dem Potentiometer
6 abgegriffene Potential wieder gleich ist dem Potential der durch den Abgriff des
Potentiometers 3 gebildeten Ausgangsklemme der Meßbrücke I. Die Anzeige der Verstimmung
der Meßbrücke I erfolgt somit nicht direkt durch das Meßinstrument 11 sondern indirekt
durch die Stellung des Potentiometers 6 bei stromlosem Meßinstrument 11. Die Meßskala
ist also auf dem Potentiometer 6 anzubringen, wobei bei der oben beschriebenen Ausgangslage
die Nullabstimmung der Meßbrücke I stets bei Nullage des Potentiometers 6 vorzunehmen
ist. Während der Messung wird also die Nullabstimmung der Meßbrücke 1 nicht mehr
verändert, und da im Zeitpunkt der Messung im Ausgangskreis der MeßbrückeI 1 kein
Strom fließt, wird die Nullabstimmung nicht mehr beeinflußt. Die Messung wird durch
den Brückenausgang in keiner Weise beeinflußt und kann leicht rechnerisch ausgewertet
werden.
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Die dargestellte meßvorrichtung gestattet ferner eine Veränderung
der Meßempfindlichkeit, ohne die Nullabstimmung der Brücke irgendwie zu verändern.
Zu diesem Zweck wird lediglich die Eingangsspannung der Hilfsbrücke II mit Hilfe
des Vorwiderstandes 10 verändert, wodurch das über dem Meßpotentiometer 6 auftretende
Potentialgefälle entsprechend erhöht wird. Zur Kompensation einer bestimmten Brückenverstimmung
ist eine mehr oder weniger große Verschiebung des Potentiometers 6 erforderlich,
je nachdem das Potentialgefälle am Potentiometer 6 kleiner oder größer ist.
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Die Nachstellung des NIeßpotentiometers 6 kann entweder von Hand
vorgenommen werden, in welchem Fall man ein anzeigendes Meßinstrument 11 vorsieht,
oder sie kann durch Servomotor erfolgen, in welchem Fall an Stelle des Instrumentes
11 z. B. elin polarisiertes Relais vorgesehen wird, welches einen umsteuerbaren
Servomotor zur Nachstellung des Potentiometers 6 sinngemäß steuert. Ein solcher
Servomotor ist in Fig. 1 in punktierten Linien schematisch dargestellt und mit 14
bezeichnet.
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Das Meßverfahren gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil
auch im Zusammenhang mit Wechselstrommeßbrücken venven.det werden. Eine entsprechende
Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei wiederum die eigentliche Meßbrücke mit
I, die Hilfsbrücke mit II bezeichnet ist. Die zwei Meßzweige der Meßbrücke I sind
durch Induktivitäten 15 und 16 gebildet, die durch einen unter dem Einfluß der zu
messenden Größe stehenden Kern. 17 im Gegentakt veränderlich sind. Die beiden Induktivitäten
15 und 16 sind durch Kondensatoren 18 bzw. 19 zu Schwingltreisen ergänzt, die z.
B. so bemessen sind, daß die Betriebsfrequenz in. die Mitte der Flanken der Resonanzkurven
dieser Schwingkreise fällt, wenn sich der Moßkern in seiner Mittdlage befindet,
d. h. wenn beide Induktivitäten 15 und 16 gleich groß sind.
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Natürlich ist es aber auch denkbar, die beiden Schwingkreise verschieden
zu bemessen und z. B. auf eine über und eine unter der Betriebsfrequenz liegende
Resonanzfrequenz abzustimmen. Der andere Brückenarm wird durch ein Potentiometer
20 entsprechend dem Potentiometer 3 in Fig. 1 gebildet, welches über Gleichrichter
21 und 22 an die Eingangsklemmen der Brücke angeschlossen ist, Der Brückeneingang
wird von einer Wicklung 23 cines Transformators, z. B.
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Netztransformators 24 mit einer mittels. des Vorwiderstandes 25 veränderbaren
Eingangsspannung gespeist.
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Die Hilfsbrücke II ist ähnlich aufgebaut wie die Hilfsbrücke II nach
Fig. 1 und enthält zwei feste Widerstände 26 und 27 und ein Meßpotentiometer 28,
welches über zwei Gleichrichter 29 und 30 an den Eingang der Hilfsbrücke angeschlossen
ist. Die Hilfsbrücke II wird von einer Wicklung 31 des Transformators 24 mit einer
durch den Vorwiderstand 32 veränderbaren Eingangsspannung gespeist.
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Die Abgriffe der Potentiometer 20 und 28 sind über ein polarisiertes
Relais 33 miteinander verbunden, welches mit seinem Umschaltkontakt in der schematisch
angedeuteten Weise einen Servomo, tor 34 zur Nachstellung des Meßpotentiomenters
28 steuert. Das polarisierte Relais 33 weist eine Hilfswicklung 35 auf, die von
einer weiteren wicklung 36 des Transformators 24 gespeist wird.
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Die in Fig. 2 dargestellte Wechselstrommeßbrücke arbeitet grundsätzlich
gleich der gemäß Fig. 1 und bietet auch dieselben Möglichkeinten wie die dort beschrichene
Meßanordnung. Mittels der Hilfsbrücke II wird über dem Potentiometer 28 ein Potentialgefälle
erzeugt, weiches je nach Bemessung der Widerstände 26 und 27 mehr oder weniger symmetrisch
zur geerdeten Ausgangsklemme 37 der Meßbrücke I liegt, Die Nulleinstellung der Vorrichtung
wird in genau derselben Weise vorgenommen wie im Zusa, mmen. han, g mit Fig. 1 beschrieben.
Die in die beiden Brücken 1 und H geschalteten gleichrichter 21, 22, 29 und 30 gestatten
dabei die Möglichkeit einer direkten Gleichstrommessung, die auch die erforderliche
Anzeige der Verstimmungsrichtung ergibt. Gleichzeitig verbindet sich mit der Gleichrichtung
in den Brücken selbst der Vorteil, daß die Phasen, lagen in den beiden Brücken für
die Messung keine Rolle mehr spielen.
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Die unabhängige Nullabgleichung der Brücke I und Empfindlichkeitsänderung
in der Hilfsbrücke II kann in genau derselben Weise vorgenommen. werden wie im Zusammenhang
mit Fig. 1 beschrieben. Beim Anschluß der Brücken 1 und II ist lediglich auf richtige
Phasenlage der Eingangswechselspannungen zu achten, derart, daß in beiden Brücken
I und II gleichzeitig Stromfluß auftritt und richtige Polung der Potentiometer 20
und 28 vorhanden ist.
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Die Schwingkreise 15, 18 und 16, 19 der Meß.-brücke I ergeben auch
bei geringer Güte eine erhebliche Überhöhung der Impedanzänderung verglichen mit
der Impedanzänderung der Induktivitäten allein. es ist außerdem möglich, durch zweckmäßige
Kombiantion des alinearen Verlaufes der Resonanzwirkung der Schwoingkreise und der
Änderung der Induktivitäten 15 und 16 die Gesamtcharakteristik der Brücke weitgehend
zu linearisieren, d. h. einen größeren linearen meßbereich gegenüber einer Meßbrücke
mit lediglich im Gegentakt veränderbaren Induktivitäten zu erzielen.
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Im polarisierten Relais 33 fließt naturgemäß ein pulsierender Gleichstrom
während jeder zweiten Halbperiode des Betriebswechselstromes, Zur Glättung
dieses
pulsierenden Gleich. stromes soll jedoch der Wicklung des polarisierten Relais 33
ein nicht allzu großer Kondensator parallel geschaltet werden, um die Zei tkons
taute der Meß anordnung nicht untragbar groß und damit die ansprechgeschwindigkeit
klein werden zu lassen, Um nun trotz eines relativ kleinen Parallelkondensators
starke Vibrationen des Relaisankers zu vermeiden, wird die nach Fourier ermittelte
Wechselstromkomponente der Grundfrequenz durch die vom Transformator 24 gespeiste
Kompensationswicklung 35 d ! e ! s polarisierten Relais 33 kompensiert, bohne die
für die Anzeige erhebliche Gleichstromkomponente irgendwie zu beeinflussen. Um die
Ansprechgenauigkeit des Servomotors 34 zu erhöhen, könnte dem polarisierten Relais
33 ein Verstärker vorgeschaltet sein.
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An Stelle einer Hilfsbrücke der dargestellten Art könnte irgendein
geeignetes Netzwerk vorgesehen sein, welches gestattet, zwei bezüglich der einen
Ausgangsklemme der Meßbrücke zu verschiedenen. Seiten. liegende Potentialpunkte
zu erzeugen, an welche das Meßpotentiometer angeschlossen werden kann. Beispielsweise
könnten die beiden Widerstände 26 und 27 in Fig. 2 durch symmetrische Wicklungen
eines Transformators gebildet sein, deren Mittelpunkt mit den Brückenklemmen 37
bzw. 38 verbunden ist.
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Es wäre auch möglich, Zweige sowohl der Meßbrücke I als auch der
Hilfsbrücke II in Abhängigkeit einer zu messenden Größe veränderlich zu gestalten.
wobei dann das Meßpotentiometer je nach der vorgenonunenen Schaltung einen Summe
oder Differenz der beiden gemessenen Größen anzeigt. Es könnten auch in beiden Brücken
je zwei Zweige in Abhängigkeit von unabhängigen Meßgrößen verändert werden, wo bei
eine bestimmte Kombination von Summen oder Differenzen gemessen werden könnte. Der
wesentliche Vorteil bei einer solchen Messung bietet die Anordilung gemäß der Erfindung
wiederum dadurch, daß Veränderungen in der einen Brücke im Zeitpunkt der Messung
ohne Einfluß auf Veränderungen in der anderen Brücke bleiben, weil zwischen den
Brücken kein Strom fließt bzw. gewissermaßen eine unendlich große Impedanz zwischen
denselben liegt, also keine Kopplung der Brücken vorhanden ist.
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Durch Veränderung der Eingangs spannung der Brücken I und II kann
nicht nur eine Empfindlichkeitsveränderung erzielt werden, sondern es können auch
solche Spannungsänderungen gemäß einer bestimmten Funktion bzw. gemäß einer bestimmten
Meßgröße verändert werden wenn es z. B. erwünscht ist, die Anzeige der einen. Meßgröße
in Funktion. einer andern Meßgröße zu verändern, Es kann auf diese Weise ein multiplikativer
Zusammenhang zwischen zwei Meßgrößen erreicht werden.
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Nach dem oben Gesagten ist es auch klar, daß die beiden Brücken I
und II beliebig als Hilfsbrücke oder als Meßbrücke auftreten können oder daß beide
als Meßbrücken ausgebildet sein können.
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Werden gemäß Fig. 2 beide Brücken aus derselben Stromquelle, z. B.
einem Netztransformator, gespeist. so sind Spannungsschwankungen des Netzes ohne
Einfluß auf das Meßergebnis.