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Wechselspannungsmeßbrückenanordnung Insbesondere für die Dehnungsmeßstreifentechnik
sind Wechs elspannungsmeßbrückenanordnungen bekannt, die aus zwei auf einem gemeinsamen
Ausgangsübertrager arbeitenden Brückenanordnungen bestehen, wobei eine Serienschaltung
der Eingangsspannungen vorliegt. Bei dieser Anordnung sind Phasendifferenzen, die
bei zwei Quellen infolge sehr unterschiedlicher komplexer Belastung immer auftreten,
nicht zu vermeiden. Es kommt hinzu, daß bei derartigen Wechselspannungsbrückenanordnungen
die bei größerem Anwendungsbereich vorhandenen Phasenunterschiede zwischen Eingangs-
und Ausgangsspannung nur mit Hilfe von Differentialkondensatoren größeren Kapazitätsbereichs
(bis zu mehreren tausend Pikofarad) ausgeglichen werden können.
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Derartige Differentialkondensatoren sind in Anbetracht der Genauigkeitsanforderungen
nur mittels zwischenschaltbarer Festkondensatoren zu verwirklichen, was wiederum
Präzisionsschalter mit einwandfreier Kontaktlage erfordern würde.
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Zweck einer Kompensationsbrücke, die auch bei induktiven oder kapazitiven
Gebern Verwendung finden kann ist es, vor Beginn der Messung den Strom durch den
Übertrager auf Null zu bringen.
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Die heutigen Anforderungen an Wechselspannungsmeßbrücken bedingen,
daß außerordentlich kleine Zustandsänderungen meßtechnisch sicher erfaßt werden
sollen. Bei Dehnungsmeßstreifen sollen z. B.
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Änderungen von 2 10-3 Q und weniger registriert werden können. Andererseits
sind die Anforderungen an die Häufigkeit der Zustandsänderungen in der Zeiteinheit
sehr gestiegen. Es sollen möglichst mehr als 1000 Änderungen pro Sekunde erfaßt
werden können. Dadurch ist eine hohe Frequenz der Brückenspeisespannung bedingt
(etwa 4000 bis 6000 Hz).
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Die Forderung nach Registrierung kleinster Änderungen der Q-Werte
ergibt, daß in der Brückenschaltung möglichst wenig Kontakte mit nicht genau definierten
Übergangswiderständen vorhanden sein dürfen und diese so in die Schaltung einzufügen
sind, daß ihr Einfluß vernachlässigbar wird.
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Bei der bekannten Verwendung getrennter Speisequellen ist die Möglichkeit
gegeben, bei Anschluß komplexer Belastungen an nur eine der beiden Speisequellen,
daß zwischen beiden eine Phasendifferenz auftreten kann. Hierdurch kann das Meßergebnis
verändert werden. Eine weitere Schwierigkeit tritt dadurch auf, daß die verschiedenen
Dehnungsmeßstreifen und induktiven Geber sehr verschiedene Brückenspeisespannungen
zum Betrieb erfordern. Daher müssen die jeweiligen Speise-
spannungen für die Meßbrücke
und die Kompensationsbrücke genau gleich sein oder immer ein gleiches Spannungsverhältnis
haben. Wenn diese Forderung nicht erfüllt ist, kann man z. B. auch nicht nach der
sogenannten Nullmethode arbeiten.
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Diese besteht darin, daß nach dem üblichen Nullabgleich und der Belastung
der Meßstelle mit der Kompensationsbrücke wieder auf Null abgeglichen wird. Die
hierzu benutzten Regler sind geeicht, so daß die Zustandsänderung der Meßstelle
direkt abgelesen werden kann. Diese Eichung ist hinfällig, wenn das bei der Berechnung
zugrunde gelegte Spannungsverhältnis zwischen Meßbrückenspeisung und Kompensationsbrückenspeisung
verändert wird.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile bei Wechselspannungsmeßbrückenanordaungen
dadurch, daß mittels Widerständen einer inneren Kompensationsbrücke eine äußere
Meßbrücke parallel geschaltet ist und der Übertrager für die Brückenausgangsspannung
nut einem Anschlußpunkt am Schleifer eines den einen Diagonalpunkt der Kompensationsbrücke
bildenden Potentiometers liegt und dieser Anschlußpunkt an die Mitte eines mit seinen
beiden Zweigen an die Meßbrücke angeschlossenen Differentialkondensators angeschlossen
ist.
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Bei geeigneter Wahl der Komponentenwerte der Brückenanordnung ist
es möglich, für den Ausgleich der Blindkomponente einen Differentialdrehkondensator
mit einem sehr geringen Kapazitätsbereich (einige pF) zu verwenden, der trotzdem
gestattet, größere Phasenabweichungen auszugleichen. Ein praktisches Ausführungsbeispiel
zeigte, daß bei einem ungünstigsten Verhältnis der Zweige einer Meßbrücke, nämlich
einer Asymmetrie von 1400 pF und einem Widerstand von 600 Ohm je Dehnungsmeßstreifen
ein Differentialkondensator von nur 40 pF genügte. Es findet demnach eine vorteilhafte
Impedanztransformation statt, die den Aufbau der Brückenanordnung insofern vereinfacht,
als dann ein
wesentlich konstanterer Kondensator ohne festes Dielektrikum
verwendet werden kann.
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An Hand der Figuren der Zeichnung sei die Erfindung mit ihren Einzelheiten
noch näher erläutert.
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Vorerst sei zum besseren Verständnis der Erfindung noch kurz auf
die bekannte Brückenanordnung eingegangen, bei der nach Fig. 1 a zwei Brücken 1
und 2 vorgesehen sind, die von zwei Wechselspannungsquellen3 und 4 gespeist werden
und auf einen gemeinsamen Ausgangsübertrager 5 arbeiten.
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Die Phasenausgleichkondensatoren 6 und 7 benötigen hier einen großen
Kapazitätsbereich. Überdies sind die Speisequellen 3 und 4, wie in F i g. 1 b verdeutlicht,
in Serie geschaltet, so daß gegenseitige Phasenbeeinflussungen, die im Ausgang der
Brücken nicht ohne weiteres feststellbar sind, auftreten können.
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Das bedeutet, daß die erhaltene Anzeige hinsichtlich der Phasenkompensation
unsicher ist.
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Die neue Meßbrückenanordnung gemäß Fig. 2 besteht demgegenüber aus
einer inneren Kompensationshrücke mit den Widerstandszweigen 8 bis 11, zu denen
über die Widerstände 12 bis 15 eine äußere Meßbrücke mit den Widerständen 16 bis
19 parallel geschaltet ist. Die Widerstandszweige der äußeren Meßbrücke können sämtlich
durch Dehnungsstreifen gebildet werden oder auch nur zum Teil. In dem einen Fall
spricht man von einer Vollbrücke, im anderen von einer Halbbrücke, von denen mehr
oder weniger längere Leitungen zur Kompens ationsbrücke führen können, die in einem
Gerät mit an sich bekannten Verstärkermeß- und Anzeigeeinheiten untergebracht ist.
Die Widerstände 12 und 14 können auch wegfallen oder kurzgeschlossen werden und
die Wechselspannungsquelle könnte unmittelbar an die Punkte b und e angeschlossen
werden.
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Der Diagonalpunkt a der Kompensationsbrücke wird durch den Abgriffpunkt
eines Potentiometers 20 gebildet, das zur Einstellung des Brückennulls dient Ein
Teil der Widerstände 10 und 11 kann in Stufen schaltbar ausgebildet sein. Die Ausgangswechselspannung
wird mittels eines Übertragers 21 abgenommen.
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Die Nullbedingungen für diesen Ausgangsübertrager lauten jetzt: gleiche
Frequenz, gleiche Amplitude, Phasenwinkel 1800.
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Zum Phasen ausgleich dient ein Differentialkondensator 22, dessen
Mitte am Punkt a liegt und dessen Außenanschlüsse mit den Punkten c, d der Meßbrücke
verbunden sind, denen gleichzeitig die Eingangswechselspannung für die Brückenanordnung
zugeführt wird. Durch ein Untersetzungsgetriebe kann für eine genügend feinfühlige
Einstellung des Uifferentialkondensators 22 gesorgt werden und bei Drehwinkeln von
100 Kapazitätsänderungen von nur Hundertsteln Pikofarad leicht und genau erzielt
werden.
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Wenn beispielsweise von den Zweigen 10, 11 der Kompensationsbrücke
mit einem Widerstandswert von je 25 kOhm 1300 Ohm in Stufen veränderlich
sein sollen,
so bedeutet das bei einem mehrstufigen Schalter mit sechs Schaltstufen nach jeder
Seite einen Widerstand von etwa 200 Ohm je Stufe. Damit müßte ein Potentiometer
von der Mittelstellung aus nach jeder Seite rund 100 Ohm überstreichen können, wobei
jedoch die Widerstandsänderung von Windung zu Windung bei einem Drahtpotentiometer
nicht zu groß sein darf. Als besonders zweckmäßig hierbei haben sich Potentiometer
erwiesen, bei denen etwa 16 Windungen je Ohm vorhanden sind. Mit den Widerständen
13 und 15 wird der Strom durch die Meßdiagonale bestimmt, während die Widerstände
12 und 14 das Spannungsverhältnis zwischen Meßbrückenspeisung und Kompensationsbrückenspeisung
festlegen. Nun kann der Widerstand 20 in Prozenten der Widerstandsänderung geeicht
werden, und diese Eichung gilt für jede Brückenspeisespannung.
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Die Widerstände 8 bis 11 können so gewählt werden, daß die möglichen
Widerstandsänderung durch Schalterkontakte und Schleifer von Potentiometern (wenn
man z. B. 20 so ausbildet, daß er für die Grobregelung aus Festwiderständen und
für die Feinregelung aus einem Potentiometer besteht) hiergegen vernachlässigbar
klein bleiben.