DE1591927C3 - Von Gleich- oder Wechselstrom gespeiste MeBbrückenanordnung mit einem veränderlichen Widerstand als Meßwertaufnehmer - Google Patents

Description

35

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßbrückenanordnung vom Wheatstone-Typ für Gleich- oder Wechselstrom mit einem sich durch eine Einflußgröße χ ändernden Widerstand, dessen Änderung durch einen oder zwei veränderliche Widerstandsteiler in einem frei wählbaren Meßstab linear nachgebildet wird.

üblicherweise dient die Wheatstone-Brücke zum Messen elektrischer Größen. Darüber hinaus kann sie aber in Verbindung mit geeigneten Aufnehmern auch ein breiteres Anwendungsfeld bei den elektrischen Messungen anderer physikalischer Größen finden. — Bei der Anwendung der Brücke kann grundsätzlich zwischen zwei Meßmethoden unterschieden werden. Bei der einen Methode, der sogenannten Ausschlagmethode, ist die Brücke für einen bestimmten Betrag der Meßgröße (Fixpunkt) abgeglichen; die Ausgangsspannung der Brücke ist null. Bei Änderung der Meßgröße wird die Brücke verstimmt; die Ausgangsspannung ist von null verschieden und ein Maß für die Meßgröße selbst. Bei der anderen Methode, der Abgleichmethode, wird die Brücke bei jedem Meßvorgang mit Hilfe eines Stellgliedes abgeglichen, wobei an dessen Stellung der Meßwert abgelesen wird.

Die beiden genannten Verfahren, die in der Meßtechnik in vielfältiger Weise Anwendung finden, besitzen verschiedene Vor- und Nachteile.

So ist z. B. bei einer Brücke nach der Ausschlagmethode, die einen mit der Meßgröße X variablen Widerstand R(X) enthält, die Ausgangsspannung nicht linear abhängig von X. Das Anzeigeinstrument ist dann mit einer nichtlinearen Skalenteilung von X zu versehen. Dieser Nachteil kann, wenn die Spannung in der Brückendiagonale leistungslos gemessen wird, durch übergang zur bekannten Halbbrückenbzw. Vollbrückenschaltung mit zwei bzw. vier sich gegenläufig ändernden Widerständen vermieden werden. Unter der Voraussetzung einer äußerst konstanten Speisespannung steht diesen Nachteilen der Vorteil einer besonders einfachen Eichung der Meßeinrichtung gegenüber: Nullpunkt und Empfindlichkeit können unabhängig voneinander justiert werden.

Mitunter ist es bei der verlangten Genauigkeit schwierig oder nicht möglich, den Meßwertaufnehmer mit zwei exakt gegenläufigen Widerstandscharakteristiken aufzubauen (z. B. Widerstandsthermometer). Will man auf die absolute Linearität der Anzeige nicht verzichten, so ist man gezwungen, auf die Abgleichmethode zurückzugreifen, deren Vorteile bekannt sind, deren Nachteil aber deutlich wird, wenn der Meßwertaufnehmer nur kleine Widerstandsänderungen zeigt und eine extrem hohe Genauigkeit verlangt wird. Die Eichung der Brücke bereitet dann in der Praxis Schwierigkeiten, was ein einfaches Beispiel zeigt (Fi g. 1).

Es sei der Meßwertaufnehmer mit seinem vom ι Meßwert χ abhängigen Widerstand R (X) gegeben durch die Beziehung R(X) = R_ax(\ + aX). R₀₁ und R₀₁ seien Festwiderstände, und R_}. · Y sei ein ver- , änderbarer Widerstand, an dessen Stellung Y der Meßwert X abgelesen werden soll. Die Ausgleich- ! bedingung der Brücke lautet dann: ^!

R_0x(I +aX) Roy-- R_r-Υ

+ciX)

(1.1)

Wird die Brücke für einen Punkt (z. B. Nullpunkt, X = 0, Y = 0) abgeglichen, so geht die Gleichung(l.l) über in

1 + aX = 1 +

X =

Y,

(1.2)

Y .

Wünscht man nun einen Zusammenhang zwischen den beiden Größen Y und X derart, daß Y = X wird, so ist dafür Sorge zu tragen, daß der Ausdruck

den Wert 1 annimmt, oder — was dasselbe α K_0}.

ist — es ist der Wert a mit hinreichender Genauigkeit durch das Verhältnis R_y:R_Oy nachzubilden. Diese Forderung ist um so schwieriger zu erfüllen, je größer der Variationsbereich von X und Y bei festgelegten Fehlergrenzen wird. Es wird daher meist erforderlich, das Verhältnis R_y:R_Oy durch Justage zu korrigieren. Im allgemeinen ist R_y ■ Y ein veränderbarer Stufenwiderstand, dessen Teilung sich nicht ohne weiteres ändern läßt, so daß eine Korrektur des Verhältnisses R_y:R_Oy nur über R_Oy zu erreichen ist. Hierdurch wird aber wiederum die vorher geeichte Nullpunktslage verändert, so daß die Eichung dann auf ein Iterationsverfahren hinausläuft, das mitunter (z. B. bei Temperaturmeßgeräten) recht zeitraubend sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, die eine einfache und präzise Eichung erlaubt, ohne daß die vorteilhaften Eigenschaften aufgegeben werden.

Die Lösung dieser Aufgabe bei einer von Gleich- oder Wechselstrom gespeisten Meßbrückenanordnung, wobei die von einer Meßgröße (X) abhängige Ausgangsspannung einer fest abgeglichenen Brücke, die in einem Zweig einen auf Widerstandsänderung beruhenden Meßwertaufnehmer enthält, durch die von einer Nachstellgröße (Y) abhängige Spannung an einem Widerstandsteiler nachgebildet wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung U für den Nachbildungswiderstandsteiler mit den Teilwiderständen bzw. den Teil- leitwerten in einer durch den Brückenteilfaktor bestimmten Höhe mittels Schaltmittel aus der Brückenspeisespannung hergeleitet wird, so daß ein linearer Zusammenhang Y = Const · X besteht.

Die Erfindung läßt sich an dem Beispiel nach F i g. 2 näher erläutern. Die Schaltung enthält eine Wheatstone-Brücke mit den Widerstandsteilern 1 und 2.

Bekanntlich ergibt sich der Brückenübertragungsfaktor aus der Differenz der Ubertragungsfaktoren der Teiler 1 und 2 zu.

Hiermit folgt für die Brückenausgangsspannung

(2.4)

Diese Spannung soll an Hand eines weiteren Teilers 3 mit den Widerständen R₀₃, und R_y - Y nachgebildet werden, der von der Spannung U gespeist wird. Dessen Ausgangsspannung U_T(Y) ist

IU_T(Y)} =

R_y-Y

R₀,+

U.

(2.5)

Die Gleichungen (2.4) und (2.5) werden identisch, wenn folgende Bedingungen erfüllt werden:

U =

Us

2
= nR_r

A_n(X) =

R_0x +R_x-X

— μ mit μ =

(2.1)

Nun werde die Brücke für einen Bezugspunkt (R_x-X = O, R_y■ Y = O) abgeglichen, d. h., es wird

(2.2)

Es sei z. B. μ =y vorgesehen, dann wird R₃ = R_0x Die Beziehung (2.1) wird somit zu

VA (YY] 1 —

^Rx'^X

2R_0x +R_x-X

Diese Bedingungen sind leicht zu erfüllen: -ή- ist

am Teiler 1 abgreifbar, n ergibt sich durch Wahl des Widerstandes R_y und R₀^ läßt sich dann durch eine Eichung bei einem weiteren Bezugspunkt leicht auf den genauen Wert einstellen. Wie man sich überzeugen kann, ist damit die Forderung X=Y erfüllt. Diese Überlegungen sind natürlich nur so lange gültig, solange der Teiler 3 gegenüber dem parallelgeschalteten Widerstand des Teilers 1 als hochohmig betrachtet werden kann. Es ist einzusehen, daß man selbst bei ungünstiger Dimensionierung bei der Eichung wesentlich schneller zum Ziel kommt.
Bei Aufbau als Wechselstrombrücke, bei der der Teiler 1 durch die angezapfte Wicklung eines Übertragers realisiert werden kann, treten diese Probleme -, nicht auf. F i g. 3 zeigt eine solche Schaltung, bei

der in Abwandlung der Nachbildungsteiler in Leit-(2 3) ⁴⁵ wertschaltung mit den Leitwerten G_Oy; G_y ausgeführt ist. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens läßt sich die Brücke auch zur Messung negativer X durch einen weiteren Teiler 4 ergänzen (F i g. 4).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Von Gleich- oder Wechselstrom gespeiste, zum Messen einer physikalischen Größe (X) bestimmte Meßbrückenanordnung, die eine fest abgeglichene Brücke aus den Teilern (1) und (2) mit einem auf Widerstandsänderung beruhenden Meßwertaufnehmer enthält und deren von der Meßgröße (X) abhängige Ausgangsspannung durch die von einer Nachstellgröße (Y) abhängige Spannung an einem Widerstandsteiler (3) nachgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung U für den Nachbildungswiderstandsteiler (3) mit den Teilwiderständen (R_Oy; R_y) bzw. den Teilleitwerten (G_Oy; G_y) in einer durch den Brückenteilfaktor (ji) bestimmten Höhe mittels Schaltmittel aus der Brückenspeisespannung (U_s) hergeleitet wird, so daß im Abgleichfall ein linearer Zusammenhang Y = Const · X besteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Anzeige dienende Stellwiderstand (Ry ■ Y) bzw. Stell-Leitwert (G,. · Y) des Nachbildungswiderstandsteilers (3) eine lineare Teilung aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur einer Nichtlinearität des Meßwertaufnehmers an Abgriffen des Stellwiderstandes (R_y · Y) bzw. Leitwerten (Gy · Y) des Nachbildungsteilers (3) in bekannter Weise Korrekturwiderstände angeschlossen sind.