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Selbstabgleichende elektrische Meßschaltung Die vorliegende Erfindung
betrifft eine selbstabgleichende elektrische Meßschaltung, insbesondere Brückenschaltung,
mit digitaler Meßwertdarstellung. Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind Dehnungsmessungen,
z. B. Gewichtsmessungen mittels Dehnungsmeßdosen, bei denen es auf eine genaue Umwandlung
des elektrischen Analogwertes in einen Digitalwert ankommt.
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Es sind Kompensatoren bzw. Meßbrücken bekannt, bei denen ein durch
die zu messende elektrische Größe an einem Widerstand entstehender Spannungsabfall
durch Vergleich mit einer an einem veränderlichen, geeichten Spannungsteiler abgegriffenen
Spannung in der Form ermittelt wird, daß bei abstimmrichtiger Einstellung kein Strom
durch den Indikator fließt (Nullmethode). Als Indikator wird beispielsweise ein
Motor, meist mit vorgeschaltetem Verstärker benutzt, dessen Drehrichtung von der
Verstimmungsrichtung abhängig ist. Der Motor treibt, in der Regel über ein Untersetzungsgetriebe,
den Schleifer eines Potentiometers an, das als Vergleichsspannungsteiler dient.
Bei richtiger Polung dreht der Indikatormotor das Potentiometer stets so, daß Meß-
und Vergleichsspannung gleich groß sind und somit der Motorstrom nach Null strebt.
An einer mit dem Potentiometerschleifer verbundenen Skala kann der Meßwert abgelesen
werden. Meßvorrichtungen dieser Art liefern den jeweiligen Momentanwert der zu messenden
Größe. Zur Umwandlung der Skalenablesung in einen für die Datenverarbeitung brauchbaren
Zahlenwert wird auf die Potentiometerachse ein Analog-Digitalwandler aufgesetzt,
der die geometrische Winkelstellung des Potentiometers in eine Ziffernfolge auflöst.
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Ein Nachteil dieser Meßeinrichtung besteht in der Wirkung der Grenzen,
die der Herstellungsgenauigkeit und dem Auflösungsvermögen (Feinstufigkeit) des
verwendeten Potentiometers gesetzt sind. Durch mechanische Abnutzung der Widerstandsbahn
bzw. durch Festsetzung von Metallstaub infolge Schleiferabnutzung an bevorzugten
Stellen der Potentiometer entstehen außerdem nach einiger Betriebsdauer Abweichungen
von der ursprünglichen geeichten Kennlinie.
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Bei anderen, bekannten Kompensatoren bzw. Meßbrücken wird als Vergleichsspannungsteiler
von vornherein eine Anordnung von Stufenwiderständen verwendet. Als Indikator dient
in der Regel ein gepoltes Relais, meist mit vorgeschaltetem Verstärker. Von einer
Programmsteuerung werden die Stufenwiderstände nach einem Stellenwertsystem - z.
B. dekadisch - zeitlich und größenordnungsmäßig nacheinander in Abhängigkeit von
der Schaltrichtung des Indikators geschaltet. Nach Beendigung des Steuerprogramms
ist der Indikatorstrom Null oder nahezu Null. Der Meßwert ergibt sich aus der Stellung
der Kontakte, mittels deren die Stufenwiderstände geschaltet sind. Mit Meßeinrichtungen
dieser Art kann die zu messende Größe digital mit großer Genauigkeit ermittelt werden.
Andererseits können Änderungen der Meßgröße während des Meßvorgangs, da die einzelnen
Stellen nacheinander abgefragt werden, insbesondere an der oberen oder unteren Grenze
eines Stellenwertes, erhebliche Meßfehler ergeben.
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Der wesentlichste Nachteil beider vorstehend beschriebenen Meßvorrichtungen
besteht darin, daß an dem dem Indikator vorgeschalteten Verstärker, der für genaue
Messungen in der Regel ein Gleichstromverstärker ist, im Laufe der Zeit Nullpunktwanderungen
auftreten, daß also der Ausgangsstrom nicht mehr, wie es verlangt ist, dann zu Null
wird, wenn die Eingangsspannung Null ist. Eine regelmäßige Einregulierung des Verstärkernullpunktes
erfordert einen besonderen Aufwand und ist auch für viele Anwendungszwecke nicht
durchführbar.
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Alle bisher bekannten selbstabgleichenden Meßschaltungen lassen sich
auf die beiden vorstehend beschriebenen Arten zurückführen und haben entsprechende
Eigenschaften und Nachteile.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine selbstabgleichende
elektrische Meßschaltung, insbesondere Brückenschaltung, mit digitaler Meßwertdarstellung,
in der aus einer die Meßgröße wiedergebenden Spannung und einer an einem durch die
Stellung seines Abgriffs den Meßwert darstellenden Potentiometer (Meßpotentiometer)
abgenommenen Spannung eine Differenzspannung gebildet wird, die über einen Nullverstärker
einen Stellmotor beaufschlagt,
der das Meßpotentiometer im Sinne
des Nullabgleichs der Schaltung verstellt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Meßpotentiometer, wie bei Meßschaltungen mit selbsttätigem Abgleich an sich bekannt,
stetig einstellbar ausgebildet ist, daß Umschaltmittel vorgesehen sind, die, wie
bei Meßschaltungen mit selbsttätigem Abgleich ebenfalls an sich bekannt, beim übergang-von
ihrer einen zu ihrer anderen Schaltstellung den Nullverstärker von der Meßschaltung
abschalten und an den Ausgang einer weiteren selbstabgleichenden Schaltung anschließen,
daß die weitere selbstabgleichende Schaltung eine die digitale Meßwertdarstellung
bewirkende Brückenschaltung- ist, für die als Speisespannung die an dem Meßpotentiometer
vor der Umschaltung liegende Spannung dient, daß zwei Zweige dieser Brückenschaltung
durch das Meßpotentiometer und die restlichen beiden Zweige durch ein zur Meßwertdarstellung
eingerichtetes, in digitalen Schritten steuerbares, einen konstanten Eingangswiderstand
aufweisendes Stufenpotentiometer und die Brückenausgangs-Eckpunkte durch die Abgriffe
der beiden Potentiometer gebildet werden und daß der Umschalter den Nullverstärker
in solchem Sinn mit der für die digitale Meßwertdarstellung dienenden Brückenschaltung
in Verbindung bringt, daß ein vor der Umschaltung in der Stellung des Meßpotentiometers
gebildeter Nullpunktfehler des Nullverstärkers in die digitale Meßwertdarstellung
nicht eingeht.
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Die Erfindung erreicht im Prinzip eine beliebig große Übertragungsgenauigkeit,
die weder durch den Nullpunktfehler des Nullverstärkers, noch durch die Fertigungsungenauigkeit
oder den Abnutzungsfehler des Meßpotentiometers beeinträchtigt ist. Die Erfindung
gestattet die Verwendung eines Schicht- oder eines Massepotentiometers mit praktisch
unendlich feiner Auflösung, an das keine Ansprüche bezüglich der geometrischen Präzision
seiner Widerstandskennlinie gestellt sind, als Meßpotentiometer. Bei zeitlicher
Veränderung der Meßgröße kann der zu einem bestimmten, festzusetzenden Zeitpunkt
anstehende Meßwert im Meßpotentiometer als analoges Spannungsteilerverhältnis fixiert
werden, das anschließend in das Stufenpotentiometer übertragen wird, wobei der dem
Meßwert entsprechende Digitalwert entsteht. Änderungen der Meßgröße, die nach der
Fixierung und während der Digitalisierung auftreten, sind ohne Einfluß auf den Digitalwert.
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Bei der Umschaltung des Nullverstärkers von der selbstabgleichenden
Meßschaltung auf die die digitale Meßwertdarstellung bewirkende selbstabgleichende
Brückenschaltung bleibt .in beiden Schaltstellungen des Umschaltmittels der Nullverstärker
vorzugsweise mit einem seiner Eingangspole mit dem Abgriff des Meßpotentiometers
fest verbunden. Die ; Erfindung gestattet somit die Verwendung eines Nullverstärkers
mit einpolig geerdetem Eingang. , Um ein zügiges und schwingungsfreies Einspiel
des Meßpotentiometers in seine Abgleichstellung zu erreichen, kann der das Meßpotentiometer
antreibende Stellmotor gedämpft werden. Erfindungsgemäß wird die Dämpfungswirkung
mit einem dem Stellmotor parallelgeschaltetem Widerstand erzeugt.
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Zur Bildung des Mittelwertes einer periodisch um diesen Mittelwert
schwankenden Meßgröße ist der 1 den Stellmotor für das Meßpotentiometer bedämpfende
Widerstand zweckmäßig so ausgebildet, daß er im Sinne zunehmender Dämpfung des Stellmotors
veränderbar ist. Besonders günstig ist die Ausbildung des Dämpfungswiderstandes
als elektrisch angetriebener Dreh- oder Schiebewiderstand, vorzugsweise mit negativ
logarithmischer Kennlinie, der Zweckmäßig durch automatische Mittel gesteuert werden
kann. Ein Anwendungsbeispiel für die Mittelwertsbildung ist die Gewichtsmessung
einer an einem Kranseil pendelnden Last mittels einer Dehnungsmeßdosc, an die eine
erfindungsgemäße Meßschaltung angeschlossen ist. Bei Beginn der Messung spielt das
Meßpotentiometer schnell auf den Meßwert ein und macht dessen Pendelungen mit. Mit
zunehmender Dämpfung, d. h. mit abnehmendem Widerstandswert des den Stellmotor für
das Meßpotentiometer bedämpfenden Widerstandes, folgt der Stellmotor den Pendelungen
des Meßwertes um den Mittelwert immer langsamer, wodurch die Anschläge des Meßpotentiometers
mehr und mehr eingeengt werden, bis sie sich schließlich auf einen Punkt konzentrieren,
der dann den Mittelwert der Schwingungen darstellt.
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Die Einleitung des Dämpfungsvorganges sowie die Umschaltung des Nullverstärkers
von der selbstabgleichenden Meßschaltung auf die die digitale Meßwertdarstellung
bewirkende, selbstabgleichende Brückenschaltung nach abgeschlossener Mittelwertbildung
erfolgt zweckmäßig durch automatische Mittel, die jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung sind. -Die Umschaltung eines für den selbsttätigen Abgleich erforderlichen
Verstärkers für andere Meßaufgaben, beispielsweise um bei einem Kompensator die
Geberspeisespannung mit der Kompensationsspeisespannung zu vergleichen und bei Abweichungen
eine der beiden Speisespannungen nachzuregeln, ist bereits bekannt. Außerdem ist
es bekannt, einen Verstärker kurzzeitig von der Meßbrücke abzuschalten und über
diesen und einen weiteren Stellmotor, auf den ebenfalls umgeschaltet wird, eine
Regelaufgabe zu lösen, beispielsweise die Verstellung eines Ventils entsprechend
dem vorgegebenen Meßwert zu steuern. Bei diesen bekannten Anordnungen wirkt sich
aber eine Nullpunktabweichung des Verstärkers wie bei den bisher bekannten Meßschaltungen
mit Nullabgleich nachteilig aus. Eine Kompensierung des Nullpunktfehlers wird bei
diesen bekannten Anordnungen durch die Umschaltung des Verstärkers nicht erreicht.
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Die Zeichnung zeigt -unter Fortlassung von nicht zum eigentlichen
Gegenstand der Erfindung gehörenden Teilen - schematisch ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung: Eine Meßbrücke (Hauptbrücke) enthält die Zweigwiderstände 1, 2, 3,
4. Einer oder mehrere von ihnen seien die von der Meßgröße abhängigen Elemente,
z. B. die Dehnungswiderstände einer Dehnungsmeßdose. Ein Potentiometer 5 dient der
Festlegung des Meßbereichanfangs. Die Größe des Widerstandes 6, an dem die Vergleichsspannung
abfällt, bestimmt den Meßbereichsumfang. Der Schleifer eines parallel zum Widerstand
6 angeordneten Meßpotentiometers 7 ist mit einem Eingangspol, vorzugsweise dem geerdeten,
eines Nullverstärkers 8 fest verbunden. Über einen Umschalter 9 einer Umschaltvorrichtung
9, 9 a liegt in der Ruhelage der Abgriff des Potentiometers 5 am anderen Eingangspol
des Nullverstärkers 8, so daß die Eingangsimpedanz dieses Verstärkers die eine Brückendiagonale
bildet. Die Brücke wird an den beiden anderen Eckpunkten von einer Stromquelle 10
gespeist.
Am Ausgang des Nullverstärkers 8 liegt über den Umschalterkontakt 9 a in der Ruhelage
ein Stellmotor 11 mit einem parallelgeschalteten Widerstand 12.
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Parallel zu dem Widerstand 6 und dem Meßpotentiometer 7 ist ein Stufenpotentiometer
14 bis 17, 14 a bis 17 a angeschlossen. In der Arbeitsstellung des Umschaltkontaktes
9 liegt der umschaltbare Eingangspol des Nullverstärkers 8 am Abgriff des Stufenpotentiometers
14 bis 17, 14a bis 17a. Das Meßpotentiometer 7 bildet mit dem Stufenpotentiometer
14 bis 17, 14a bis 17a eine Nebenbrücke, die vom Spannungsabfall an dem Widerstand
6 gespeist wird und deren Ausgangseckpunkte der Schleifer des Meßpotentiometers
7 und der Abgriff des Stufenpotentiometers 14 bis 17, 14a bis 17a sind.
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Als Beispiel für die Schaltung des Stufenpotentiometers 14 bis 17,
14a bis 17a sei eine vierstellige dekadische Abstufung angegeben. Hiernach sei der
Widerstand 14 in zehn Stufen von neuntausend bis null Ohm abnehmend, der Widerstand
14 a in zehn Stufen gleichzeitig mit dem Widerstand 14 von null bis neuntausend
Ohm zunehmend schaltbar, in der gleichen Weise die Widerstände 15 bzw.
15a von neunhundert bis null Ohm bzw. von null bis neunhundert Ohm, die Widerstände
16 bzw. 16a von neunzig bis null Ohm bzw. von null bis neunzig Ohm und schließlich
die Widerstände 17 bzw. 17a von neun bis null bzw. von null bis neun Ohm.
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Die Abstimmung des Stufenpotentiometers 14 bis 17, 14 a bis 17 a erfolgt
z. B. durch - nicht mitdargestellte - elektromechanische Relais od. dgl., die von
einer schematisch dargestellten Programmsteuerung 13 in bekannter Weise und
in Abhängigkeit von der Verstimmung der Nebenbrücke geschaltet werden, wenn in der
Arbeitsstellung des Umschaltkontaktes 9 a der Umschaltvorrichtung 9, 9 a der Ausgang
des Nullverstärkers 8 mit der Programmsteuerung 13 verbunden ist.
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Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende: Im Falle einer Verstimmung
der Hauptbrücke durch Einwirkung der Meßgröße auf die Zweigwiderstände 1, 2, 3,
4 gelangt die Brückenausgangsspannung zum Eingang des Nullverstärkers 8, dessen
Ausgangsstrom dem Stellmotor 11 zugeführt wird. Dieser bewegt den Schleifer des
Meßpotentiometers 7, bis die Verstimmung wieder aufgehoben ist. Auf diese Weise
verfolgt der Schleifer des Meßpotentiometers 7 alle Änderungen der Meßgröße. Mittels
des Widerstandes 12 kann der für die jeweilige Meßaufgabe günstigste Dämpfungsgrad
des Abstimmsystems eingestellt werden.
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Zur Digitalabstimmung in der Nebenbrücke wird der Umschaltkontakt
9 gemeinsam mit dem Umschaltkontakt 9 a in die Arbeitsstellung gebracht. Da von
letzterem der Stellmotor 11 vom Ausgang des Nullverstärkers abgetrennt wird, bleibt
im Meßpotentiometer 7 das im Augenblick der Umschaltung bestandene Spannungsteilerverhältnis
gespeichert.
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Der Ausgang des Nullverstärkers wirkt nun auf die Progranunsteuerung
13, die entsprechend der Verstimmung der Nebenbrücke in der richtigen Reihenfolge
die Widerstände des Stufenpotentiometers 14 bis 17, 14a bis 17a nacheinander schaltet,
bis in diesem das gleiche elektrische Spannungsteilerverhältnis verwirklicht ist
wie im Meßpotentiometer 7. An den Schaltelementen kann dann in bekannter Weise die
Dezimalzahl zur Zifferndarstellung des Meßwertes bzw. zur Datenverarbeitung entnommen
werden.
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Hat der Nullverstärker 8 einen Nullpunktfehler, d. h., ist sein Ausgangsstrom
nicht Null, wenn die Eingangsspannung Null ist, so hat dies zur Folge, daß bei der
Abstimmung des von dem Stellmotor 11 angetriebenen Meßpotentiometers 7 dieses nicht
auf das genaue Brückengleichgewicht eingestellt ist, sondern daß vielmehr der Schleifer
des Meßpotentiometers 7 um einen bestimmten Betrag gegen den echten Meßwert verschoben
ist, der der Spannung entspricht, die am Verstärkereingang erforderlich ist, um
den Ausgangsstrom Null zu erreichen. Bei der Abstimmung der Nebenbrücke ist somit
der Nullpunktfehler des Nullverstärkers 8 in Form einer Verschiebung des Spannungsteilerverhältnisses
am Meßpotentiometer 7 bereits berücksichtigt und fällt heraus.