DE1272009B

DE1272009B - Electric bridge circuit with amplifier for use as a measuring transducer, especially for temperatures

Info

Publication number: DE1272009B
Application number: DE19631272009
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Walter Wendiggensen
Original assignee: G S T GES fur SELBSTTAETIGE T
Current assignee: G S T GES fur SELBSTTAETIGE T
Priority date: 1963-11-04
Filing date: 1963-11-04
Publication date: 1968-07-04

Description

Elektrische Brückenschaltung mit Verstärker zur Verwendung als Meßumfonner, insbesondere für Temperaturen Es sind Brückenschaltungen für Temperaturmessungen bekannt, bei denen an die beiden Pole des Galvometerzweiges ein elektrischer in sich gegengekoppelter Verstärker nachgeschaltet wird, welcher die notwendige Leistung zum Betreiben von Regel-und Steuergeräten oder Meßwertumformern abgibt und meistens gleichzeitig die Meßbereiche in Einheitsmeßbereiche dadurch verwandelt, daß seine Gegenkopplung entsprechend eingestellt wird. Oder die Meßbereiche werden durch Verändern der Brìickenempfindlichkeit eingestellt. Der Ausgang dieses Verstärkers liefert einen Wert in Strom und Spannung. Dieser Wert ist ein lineares Abbild der Brückenverstimmung und damit ein eindeutiges Ab bild des Widerstandswertes des Temperaturfühlers und somit der zu messenden Temperatur.Electrical bridge circuit with amplifier for use as a transducer, especially for temperatures There are bridge circuits for temperature measurements known, in which an electrical in negative feedback amplifier is connected downstream, which the necessary power to operate regulating and control devices or transducers and mostly at the same time converts the measuring ranges into unit measuring ranges in that its Negative feedback is adjusted accordingly. Or the measuring ranges are changed by changing the sensitivity of the bridge. The output of this amplifier provides a value in current and voltage. This value is a linear representation of the bridge misalignment and thus a clear image of the resistance value of the temperature sensor and thus the temperature to be measured.

Die Technik verlangt heute einerseits vereinheitlichte Temperaturfühler und andererseits leicht umschaltbare Meßbereiche. Die größte Brückenverstimmung, welche am Ausgang bzw. Galvanometerzweig der Brücke erscheint, ist im wesentlichen abhängig von der Größe des Meßbereiches. besonders dann, wenn der Gesamtwiderstand der Brückenmeßzweige an den Fühlwiderstand angepaßt wird, wenn also die Brücke empfindlich mißt. Die Folge ist, daß der Ausgangswert der Brücke nicht linear abhängig ist vom Widerstandswert des Temperaturfühlers, und zwar um so mehr, je größer der Temperaturbereich ist. Unlinearitäten und insbesondere veränderliche Unlinearitäten machen aber eine einheitliche Meß bereicheichung von Einheitsmeßgeräten schwierig oder unmöglich. Diese Schwierigkeiten erhöhen sich noch, wenn Grenzwerte von Strömen und Spannungen eingehalten werden müssen, welche die Explo sionsvorschrift verlangt. On the one hand, technology today demands standardized temperature sensors and on the other hand easily switchable measuring ranges. The biggest bridge upset which appears at the exit or galvanometer branch of the bridge is essentially depending on the size of the measuring range. especially when the total resistance the bridge measuring branches is adapted to the sensing resistance, so if the bridge is sensitive measures. The result is that the output value of the bridge is not linearly dependent on the Resistance value of the temperature sensor, and more so, the larger the temperature range is. However, non-linearities and in particular variable non-linearities make one Uniform measuring range calibration of standard measuring devices difficult or impossible. These difficulties are compounded when limit values of currents and voltages must be complied with, which is required by the explosion regulations.

Es ist in diesem Zusammenhang weiter bekannt, durch geeignete zusätzliche Einstellwiderstände oder Abgleichpotentiometer in den Meßzweigen der Brücke die Brückenverstimmung selbsttätig auszugleichen bzw. auf Null abzustimmen. Dann ist die Anderung der Ausgleichwiderstände ein Maß für die zu messende Größe. It is further known in this context through suitable additional Setting resistors or adjustment potentiometers in the measuring branches of the bridge Compensate for bridge misalignment automatically or adjust it to zero. Then the change in the balancing resistances is a measure of the quantity to be measured.

Es läßt sich hier eine unmittelbare proportionale Abhängigkeit der Widerstandsänderung von der Fühleränderung erreichen, so daß die Unlinearitäten entfallen. Es ist aber ein Einstellwerk für die Verstellung der zusätzlichen Einstellwiderstände notwendig, welches von dem an dem Brückenausgang angeschalteten Verstärker gesteuert wird, und die Stellung der Widerstandsbetätigung ist das Maß für die zu messende Größe. Diese Stellung muß dann ihrerseits in Strom- oder Spannungswerte umgeformt werden. Dieser Umstand ist wegen seines großen Aufwandes sehr nachteilig. A direct proportional dependence of the Reach resistance change from the sensor change, so that the non-linearities omitted. However, it is a setting mechanism for adjusting the additional setting resistances necessary, which is controlled by the amplifier connected to the bridge output and the position of the resistance actuation is the measure for the one to be measured Size. This position must then be converted into current or voltage values will. This fact is very disadvantageous because of its great expense.

Die nachfolgende beschriebene Brückenschaltung vermeidet diese Nachteile und stellt in ihrem Verhalten in gewisser Weise eine Vereinigung der erwähnten Schaltungen dar. The bridge circuit described below avoids these disadvantages and in their behavior represents in a certain way a union of the circuits mentioned represent.

ErfindungsgemälS wird in einen Meßzweig der Brücke, z. B. in den Meßzweig des Fühlwiderstandes ein zusätzlicher Widerstand eingesetzt, der ganz oder teilweise an den Ausgang des Verstärkers angeschak tet ist. According to the invention, in a measuring branch of the bridge, e.g. Tie Measuring branch of the sensing resistor an additional resistor is used, the whole or is partially connected to the output of the amplifier.

Der Verstärker braucht in sich nicht gegengekopperlt zu sein, so daß die von dem Brückenausgang zu leistende Steuerung auf den Verstärker jetzt nicht mehr von dessen durch die Gegenkopplung herabgesetzten Empfindlichkeit bestimmt wird, sondern von dessen ganzer Geradeausempfindlichkeit. Die Geradeausempfindlichkeit eines hierfür geeigneten Verstärkers beträgt etwa das 50- bis 10001achse der Empfindlichkeit des gegengekoppelten Verstärkers, d. h., daß bei einer Schwankung des Temperaturfühlwiderstandes das Brückengleichgewicht nur noch Vo bis 111000 schwankt im Vergleich zu dem Fall, daß der Verstärker in sich gegengekoppelt an den Brückenausgang angeschlossen ist. Diese nur noch geringe Schwankung des Brückengleichgewichtes gewährleistet schon alleine eine ausgezeichnete Linearität der Brücke. Außerdem wird hierdurch bewirkt, daß die Brücke praktisch nicht mehr im Ausschlagverfahren, sondern im Kompensationsverfahren arbeitet, ohne daß ein Stellantrieb zusätzliche Einstellwiderstände steuert. The amplifier does not need to be counter-coupled, like that that the control to be performed by the bridge output on the amplifier is not now more of its sensitivity, which is reduced by the negative feedback, is determined but from its whole straight-ahead sensitivity. The straight-ahead sensitivity an amplifier suitable for this purpose is about the 50 to 10001 axis of the sensitivity of the negative feedback amplifier, d. that is, when the temperature sensing resistance fluctuates the bridge equilibrium only fluctuates Vo up to 111000 compared to the case that the amplifier is connected to the bridge output with negative feedback. This only slight fluctuation in the bridge equilibrium is guaranteed alone an excellent linearity of the bridge. It also has the effect of that the bridge is practically no longer in the deflection process, but in the compensation process works without an actuator controlling additional setting resistors.

Das hat weiter nachweislich zur Folge, daß der durch den Kompensationswiderstand geschickte Strom oder Stromanteil des Verstärkerausgangs bei abgestimmter Brücke ausschließlich durch den Kom pensationswiderstand fließt. Dieses Verhalten bedingt eine ausgezeichnete gute Linearität der Gs samtanordnung. Außerdem leitet sich hiervon eine sehr wirksame und einfache Meßbereicheinstellung ab. Die Meßbereicheinstellung erfolgt erfindungsgemäß z. B. dadurch,.daß von dem Kompensationswiderstand der Anteil, welcher von dem Ausgang strom des Verstärkers durchflossen wird, veränderbar gemacht wird. Das geschieht z. B. mit Hilfe eines Schleifkontaktes in Potentiometerschaltung. This has a further demonstrable consequence that the compensation resistor sent current or current component of the amplifier output more coordinated Bridge flows exclusively through the compensation resistor. This behavior requires excellent linearity of the overall arrangement. Also directs a very effective and simple measuring range setting is derived from this. The measuring range setting takes place according to the invention z. B. by the fact that of the compensation resistor the proportion which of the output current of the amplifier flows through, made changeable will. This happens z. B. with the help of a sliding contact in a potentiometer circuit.

Wenn man berücksichtigt, daß der Ausgangsstrom des Verstärkers neben dem Kompensationswiderstand einen Nutzwiderstand speist, der einen zusätzlichen Verstärkereingangswiderstand oder den Eingang z. B. eines elektropneumatischen oder elektrohydraulischen Meßwertumformers oder Reglers oder eines Meß- oder Schreibgerätes darstellen kann, so gilt das über den Schleifkontakt Gesagte auch für die Anpassung der Ausgangsströme des Verstärkers an diese Geräte. Taking into account that the output current of the amplifier is next the compensation resistor feeds a useful resistor, which is an additional Amplifier input resistance or the input z. B. an electropneumatic or electro-hydraulic transducer or controller or a measuring or writing device can represent, what has been said about the sliding contact also applies to the adaptation the output currents of the amplifier to these devices.

Eine weitere Wirkung ist darüber hinaus die, daß die größte Brückenverstimmung nur von der Geradeausempfindlichkeit des Verstärkers abhängig ist, ohne daß hier die Größe des eingestellten Meßbereiches einen Einfluß hat. Another effect is that the greatest bridge disorder depends only on the straight-ahead sensitivity of the amplifier, without here the size of the set measuring range has an influence.

Betreibt man die beschriebene Kompensation mit einem Verstärker, welcher eine zwar hohe aber endliche Verstärkung hat, so wird die Verstimmung der Brücke am Ausgang nicht ganz auf Null zurückgeführt. Für diesen Restanteil bleibt eine eindeutige und außerordentlich lineare Abhängigkeit vom Wert des Fühlwiderstandes erhalten, und der bleibende kleine Proportionalbereich bei der Einregelung des Brückengleichgewichtes kommt der Stabilität und der Schnelligkeit des Einregelvorganges zugute, ohne daß man für ein besonderes Zeitverhalten im Falle einer echten (vollständigen bzw. integralen) Kompensation sorgen muß. If the described compensation is operated with an amplifier, which has a high but finite gain, the detuning becomes the Bridge at the output not completely brought back to zero. For this remainder remains a clear and extremely linear dependence on the value of the sensing resistance received, and the remaining small proportional range in the adjustment of the bridge equilibrium the stability and the speed of the adjustment process benefit without one for a special time behavior in the case of a real (complete or integral) Compensation must provide.

Der Temperaturfühlwiderstand schließlich ist zu nächst als rein ohmscher Widerstand vorgesehen. Ist die Brücke einschließlich des Kompensationswiderstandes für Wechselstrom ausgelegt, dann kann ein Temperaturfühler mit einem kapazitiven oder induktiven Widerstand oder Widerstands anteil angeschaltet werden. Auch kann ein Fühlwiderstand, außerhalb der Brücke liegend, einen Strom oder eine Spannung auf einen anderen an seiner Stelle in der Brücke liegenden Widerstand erzeugen, wobei auch hier die Brücke als Gleich- oder Wechselstrombrücke ausgelegt ist Hiermit wird dann die erfindungsgemäße Brückenschaltung anwendbar auf elektrische Ferngeber ganz allgemein. Finally, the temperature sensing resistor is initially purely ohmic Resistance provided. Is the bridge including the compensation resistor designed for alternating current, then a temperature sensor with a capacitive or inductive resistance or resistance component can be switched on. Also can a sensing resistor, located outside the bridge, a current or a voltage generate another resistance lying in its place in the bridge, Here too, the bridge is designed as a direct or alternating current bridge the bridge circuit according to the invention is then applicable to electrical remote transmitters in general.

Die Brücke wird entweder mit Gleichspannung oder Gleichstrom erregt, oder sie wird mit Wechsel spannung oder -strom erregt. Die Erregung erfolgt mit eingeprägten Strom- oder Spannungswerten. The bridge is excited either with direct voltage or direct current, or it is excited with alternating voltage or current. The excitation takes place with impressed current or voltage values.

Die Arbeitsweise der Brückenschaltung wird nachfolgend an dem Beispiel der Abb. 1 erläutert. Die Brückenschaltung besteht aus dem Meßzweigwiderständen 1, 2 und 3 und dem veränderlichen Temperaturfühlwiderstand 4. In den Meßzweig 9 bis 12 mit dem Temperaturfühlwiderstand 4 ist ein zusätzlicher Widerstand 5 eingesetzt, der ganz oder teilweise an den Ausgang des Verstärkers 7 angeschaltet ist. The operation of the bridge circuit is illustrated below using the example Fig. 1 explains. The bridge circuit consists of the measuring branch resistors 1, 2 and 3 and the variable temperature sensing resistor 4. In the measuring branch 9 up to 12 with the temperature sensing resistor 4 an additional resistor 5 is used, which is wholly or partially connected to the output of the amplifier 7.

Schließlich enthält die Brücke zur Einstellung des Meßbereichanfangs ein Einstellpotentiometer6. Ein Verstärker 7 liegt mit seinen Eingangsklemmen an den Brückeneckpunkten 8 und 9. Der Ausgang dieses Verstärkers 7 wirkt über den Nutzwiderstand 10 und den Ausschalter 11 auf den Brückeneckpunkt 12 und den Abgriff 13 des Kompensationswiderstandes 5.Finally, the bridge contains the setting of the start of the measuring range an adjustment potentiometer 6. An amplifier 7 is present with its input terminals the Bridge corner points 8 and 9. The output of this amplifier 7 acts via the useful resistance 10 and the circuit breaker 11 on the bridge corner point 12 and the tap 13 of the compensation resistor 5.

Die Brückenschaltung wird durch die Hilfsenergiequelle 14 an den Eckpunkten 12 und 15 erregt. Die Anschaltung des Verstärkers 7 erfolgt in der Weise, daß eine durch die Änderung des Widerstandes 4 hervorgerufene Verstimmung der Brücke durch den auf einen Teil des Widerstandes 5 wirkenden Ausgangsstrom ganz oder fast ganz ausgeglichen wird.The bridge circuit is created by the auxiliary power source 14 at the corner points 12 and 15 excited. The connection of the amplifier 7 takes place in such a way that a by changing the resistance 4 caused by detuning the bridge all or almost all of the output current acting on part of the resistor 5 is balanced.

Zunächst werde bei geöffnetem Schalter 11 die Brücke mit Hilfe des Schleifers 8 des Widerstandes 6 abgeglichen. Damit ist für einen bestimmten Widerstandswert des Temperaturfühlers 4, d. h. für eine bestimmte Temperatur, die Eingangsspannung des Verstärkers 7 auf Null eingestellt, d. h., der Anfangs punkt des Temperaturmeßbereiches ist mit dem Schleifer 8 eingestellt worden. Hierauf wird der Schalter 11 geschlossen. Zunächst fließt kein Ausgangsstrom, weil an dem Eingang des Verstärkers 7 keine Spannung vorhanden ist. Wird infolge einer Temperaturerhöhung der Widerstandswert des Fühlers4 größer, dann tritt an den Eingangsklemmen des Verstärkers 7 zunächst infolge der Brückenverstimmung eine Spannung auf, welche einen Ausgangsstrom des Verstärkers 7 auslöst und eine Kompensationsspannung in diesen Brückenkreis aufbaut, die das Brückengleichgewicht unverzüglich um so genauer wiederherstellt, je höher die Verstärkung des Verstärkers 7 ist. Im abgeglichenen Zustand fließt der Ausgangsstrom des Verstärkers vollständig oder fast vollständig durch den zwischen dem Schleifer 13 und dem Endpunkt 12 der Brücke liegenden Anteil des Widerstandes 5, weil sich ja unterdessen an den Widerständen der übrigen Brückenzweige und der Brückenerregung nichts geändert hat und in anderer Weise ein Brückengleichgewicht nicht herstellbar ist. Der Fühlwiderstand 4 und der unter dem zusätzlichen Einfluß des Verstärkerausgangsstromes stehende Anteil des Kompensationswiderstandes 5 zusammengenommen verhalten sich so, wie ein Festwiderstand, welcher unabhängig bzw. nahezu unabhängig von dem Augenblickswert des Fühlwiderstandes und somit der Temperatur ist. First, with the switch 11 open, the bridge is opened using the Resistor 6 slider 8 matched. This is for a certain resistance value of the temperature sensor 4, d. H. for a given temperature, the input voltage of the amplifier 7 is set to zero, i.e. i.e., the starting point of the temperature measuring range has been set with the 8 grinder. The switch 11 is then closed. Initially, no output current flows because there is none at the input of the amplifier 7 Voltage is present. As a result of an increase in temperature, the resistance value of the sensor 4 is larger, then occurs at the input terminals of the amplifier 7 first as a result of the bridge detuning, a voltage that has an output current of the Amplifier 7 triggers and a compensation voltage builds up in this bridge circuit, which immediately restores the bridge equilibrium the more precisely, the higher the gain of amplifier 7 is. The output current flows in the balanced state of the amplifier completely or almost completely through the one between the grinder 13 and the end point 12 of the bridge lying portion of the resistor 5, because yes meanwhile at the resistances of the other bridge branches and the bridge excitation has not changed anything and a bridge balance cannot be established in any other way is. The sense resistor 4 and under the additional influence of the amplifier output current standing portion of the compensation resistor 5 together behave like a fixed resistor, which is independent or almost independent of the instantaneous value of the sensing resistance and thus the temperature.

Anders erklärt sieht der Vorgang etwa so aus, daß bereits bei einer kleinen z. B. stoßweisen Änderung des Fühlwiderstandes4 der Verstärker 7 voll ausgesteuert wird, dessen zunächst konstanter Sättigungsstrom über die Strecke 12 bis 13 des Kompensationswiderstandes das gestörte Brückengleichgewicht so weit abbaut, bis der Ausgang der Brücke 8, 9 nicht mehr in der Lage ist, den Verstärker 7 voll auszusteuern. Alsdann stellt sich zwischen dem letzten Rest einer Brückenverstimmung und dem durch den Kompensationswiderstand fließenden Verstärkerausgangsstrom ein Gleichgewicht ein. Die Brücken schaltung transformiert sozusagen die Strecke 12 bis 13 des Kompensationswiderstandes als Gegenkopplung auf den Verstärker, so daß die restliche sehr kleine Verstimmung der Brücke und der durch sie ausgelöste Ausgangsstrom des Verstärkers 7 ein lineares Abbild der Abweichung des Fühlwiderstandes 4 darstellt. Der Grad dieser Gegenkopplung ist abhängig von der Größe des im Ausgangskreis des Verstärkers 7 liegenden Anteiles 12 bis 13 des Kompensationswiderstandes 5. Durch Verstellen dieses Anteiles, beispielsweise durch Betätigen des Schleifers 13, wird somit die Empfindlichkeit bzw. der Temperaturmeßbereich eingestellt. Explained differently, the process looks something like that already with one small z. B. intermittent change of the sensing resistance 4 of the amplifier 7 fully controlled is, whose initially constant saturation current over the distance 12 to 13 des Compensation resistance reduces the disturbed bridge equilibrium until the output of the bridge 8, 9 is no longer able to fully control the amplifier 7. Then between the last remnant of a bridge disgruntlement and that comes through The amplifier output current flowing through the compensation resistor is in equilibrium a. The bridge circuit transforms, so to speak, the section 12 to 13 of the compensation resistor as negative feedback to the amplifier, so that the remaining very small detuning the bridge and the output current of the amplifier 7 triggered by it is linear Representation of the deviation of the sensing resistor 4. The degree of this negative feedback depends on the size of the component lying in the output circuit of the amplifier 7 12 to 13 of the compensation resistor 5. By adjusting this proportion, for example by pressing the Grinder 13, is thus the sensitivity or the temperature measuring range is set.

In der A b b. 2 ist eine geänderte Schaltung dargestellt. Der Widerstand 6 mit dem Schleifer 8 der A b b. 1 ist ersetzt durch einen festen Eckpunkt 8 a und der Kompensationswiderstand 5 mit dem Schleifer 13 ist ersetzt durch zwei Widerstände 5 a und 5 b. In the A b b. 2 shows a modified circuit. The resistance 6 with the grinder 8 of A b b. 1 is replaced by a fixed corner point 8 a and the compensation resistor 5 with the wiper 13 is replaced by two resistors 5 a and 5 b.

Die beiden Widerstände sind ansteckbar zusammengefaßt. Sie werden an den Stellen 12, 13 a und 16 in die Brücke eingesteckt. Der Widerstand 5 a bestimmt dann den Meßbereich, und der Widerstand 5 b legt den Meßbereichanfang fest.The two resistors are combined so that they can be plugged in. you will be plugged into the bridge at points 12, 13 a and 16. The resistance 5 a determines then the measuring range, and the resistor 5 b defines the start of the measuring range.

Claims

Claims: 1. Electrical bridge circuit with amplifier for Use as a measuring transducer, especially for temperatures at which the amplifier input is connected to the measuring diagonal, characterized in that in a measuring branch the bridge, e.g. B. in the measuring branch (9 to 12) of the sensing resistor (4) an additional one Resistor (5) is used, which is wholly or partially connected to the output of the amplifier (7) is turned on.

2. Electrical bridge circuit according to claim 1, characterized in that that the bridge is created by impressed direct or alternating current or by voltage is excited.

3. Electrical bridge circuit according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the size of the measuring range and / or the output current of the Amplifier (7) is adjusted with the help of a grinder (13) which has a tap of the compensation resistance (5).

4. Electrical bridge circuit according to claims 1 to 3, characterized characterized in that the compensation resistor is divided into partial resistances (5a and 5b) is, which can be plugged together individually or together as a plug-in unit.