DE1924783A1

DE1924783A1 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Widerstandsaenderung in eine proportionale Leitwertaenderung

Info

Publication number: DE1924783A1
Application number: DE19691924783
Authority: DE
Inventors: Meyer Dipl-Ing Dietrich
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1969-05-14
Filing date: 1969-05-14
Publication date: 1970-11-26
Also published as: US3614598A; AU1489170A; CH529350A; DE1924783C3; FR2047761A5; AT300110B; DE1924783B2; NL7006411A; GB1311911A; BE750370A; SE346615B

Description

ter. Herbert Sehvls

Patentanwalt

hmiitr. Philips Patentverwaltung GmbH 1924783

AktN

Anmeldung vom* 13. Mai 1969

Philips PatentVerwaltung GmbH, Hamburg 1, Mönckebergstr.

Schaltungeanordnung zur Umwandlung einer Widerstands-' änderung in eine proportionale Leitwertänderung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer kleinen Widerstandsänderung in eine dieser proportionale große Leitwertänderung bei einer Meßbrücke, enthaltend eine Einrichtung¹'zur'automatischen Kompensation der Brückenverstimmung durch ein an die Brücke angeschlossenes Widerstandsnetzwerk.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist insbesondere geeignet zur Steuerung von Oszillatoren, so dasc deren Ausgangsfrequenz ein Maß für die Verstimmung der Widerstandsbrücke ist. Sie haben den Zweck, die sehr kleinen Widerstandsänderungen bzw. Brückenverstimmungen verschiedener Meßwertaufnehmer in leicht meßbare und übertragungssichere Signale umzuformen. t-

Sehaltungsanordnungen der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Dabei wird ein elektronisch steuerbarer Widerstand mittels einer Regelschaltung so abgeglichen, dass ein von ihm abgeleiteter Strom ( oder eine Spannung ) die meist nur. sehr geringe Verstimmung einer Widerstandsbrücke kompensiert, und dieser Widerstand gleichzeitig Heil eines Netzwerkes ist, dessen Eingangswiderstand oder -leitwert eine der Brückenverstimmung proportionale sehr große Variation erfährt, so

PHD 1319
/S.

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z.B. aus der Zeitschrift PiDI, Heft 6/1968. Diesen Schaltungen haftet jedoch der Nachteil an, dass entweder der genannte Fetzwerkeingangewiderstand oder -leitwert keine streng lineare Funktion der Brückenverstimmung ist, oder eine Differenzbildung zweier Spannungen, die auf unterschiedlichem Potential liegen, erforderlich ist oder die Kompensationsschaltung aktive Elemente (z.j3. einen Operationsverstärker) enthält;, deren veränderliche ■ Parameter Ursache für Ungenauigkeiten sein können.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung-Averden diese genannten Nachteile dadurch vermieden, dass eine . fc der Brückenausgangsklemmen mit einer Ausgangsklemme einer aus drei Widerständen bestehenden !-Schaltung verbunden ist, von denen der der Eingangsklemme der !'-Schaltung zugewandte längswiderstand durch die Einrichtung zur automatischen Kompensation veränderbar ist. Dadurch ist im abgeglichenen Zustand der Brücke der Eingangsleitwert der Ϊ-Schaltung der Brückenverstimmung proportional.

Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung näher beschrieben.

Eine an sich bekannte Widerstandsmeßbrücke enthält die * Widerstände 1,2,3,4. Die einer Speisespannungsquelle 5 entnommene Spannung wird der Brücke an den Diagonalpunkten 6,7 zugeführt. Weiterhin enthalt die Schaltungsanordnung eine T-Schaltung, die aus einem steuerbaren Längswiderstand 8, einem festen Querwiderstand 9 und einem weiteren, jedoch festen Längswiderstand 10 sowie einen Kompensationsverstärker 11 zur Steuerung des ersten Län^swiderStandes 8 besteht.

Eine Ausgangsklemme 12 der aus den Widerständen 8,9,10 bestehenden T-Schaltung ist mit ainer Klemme 13 der beiden

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_. 3 —

Brückenausgangsklemmen 13jH verbunden, während eine Eingangsklemme 15 der !-Schaltung an einer mit der Spannungsquelle 5 entnommenen Brückenspeisespannung U fest korrelierten Spannung k«U (beispielsweise auch an der Speisespannung U₈ selbst, wobei k = 1 ist) liegt. Diese Anschaltung der !-Schaltung an die Brücke bewirkt, dass diese einer durch den steuerbaren Widerstand 8 veranderliehen zusätzlichen Verstimmung unterworfen ist. Diese zusätzliche Verstimmung kann jedoch so eingestellt werden, dass sie einer durch Un-· gleichgewicht der 4 Brückenwiderstände 1,2,3»4- hervorgerufenen Verstimmung der Brücke selbst entgegenwirkt und diese gerade kompensiert. Dieser Fall soll hier betrachtet werden. Dabei wird der Abgleichzustand automatisch erreicht, indem der Kompensationsverstärker 11, an. dessen Eingangsklemmen die Brückenausgangsspannung von den Klemmen 13,14 geführt ist, infolge sehr hoher Verstärkung den Widerstand 8 so einstellt, dass seine Eingangsgröße ( die Brückenausgangsspannung also ) praktisch zu Null ui^eL Der steuerbare Widerstand 8 kann z.B. ein Fotowiderstand sein, dessen Widerstandswert durch den Lichtstrom einer von der Ausgangsgröße des Kompensationsverstärkers 11 gespeisten Glühlampe 16 bestimmt wird. Diese Schaltung führt nun zu dem gewünschten Resultat, dass nämlich im abgeglichenen EaIl der Eingangsleitwert der !-Schaltung (d.h., der zwischen deren Eingangsklemme 15 und dem Bezugspotential am Punkt 17 zu messende Leitwert ) der ursprünglichen Brückenverstimmung genau proportional ist.

Anhand der nachstehenden Berechnung sei die Richtigkeit dieser Behauptung bewies.en. Dabei wird unter R_ß der Grundwiderstand der Brücke verstanden. Jeweils 2 einander diagonal gegenüberliegende Widerstände werden, wie es von der Technik der Dehnungsmeßstreifenbrücken her ' bekannt 1st, infolge einer größeren Einwirkung um eine

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Größe

größer bzw. kleiner:

R₁ =

= R_B +

R_B -

Eine Netzwerkberechnung zeigt im abgeglichenen Pail als exaktes Endergebnis:

^XE

AR

mmmmm

R,

B
B

R₉ +

₉ + R₁₀

Ύ ⁺ 2

1 -

worin G^ den Eingangsleitwert der T-Schaltung bedΘμtet und z.B. Rq den ohmschen Widerstand des Widerstandes 9

darstellt.

Als Abweichung von der angestrebten linearen Punktion des Leitwertes G^ von der Brückenverstimmung AR-g/R^ tritt bei der beschriebenen Anordnung nur der Term (1 - ARg /R-q ) auf. Dieses stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Schaltungen ohne zusätzliche aktive Elemente und ohne Differenzbildung potentialverschiedener Spannungen dar, da bei diesen· ein störender Term der Art (1 - AR^/R^) auftritt. In einem praktischen Pail ist bei einer Dehnungsmeßstreifenbrücke die Verstimmung AR_B/R_B maximal 1/1OOO. Im letztgenannten Fall wird somit die Linearitätsabweichung 10""', bei der vorgeschlagenen Anordnung dagegen nur 10 betragen.

Eine durch die Unsymmetrie der Schaltung verursachte additive Konstante ( 1_, 1 in der angeführten Gleichung/

— 5 —

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kann eliminiert werden durch einen Widerstand 18 von der Größe (Rq+ILq), der von der Brückenausgangsklemme 14 zum Bezugspotential am Punkt 17 zu schalten ist. Ebenso kann durch einen solchen Widerstand oder durch *ein entsprechendes Widerstandsnetzwerk bei geeigneter Bemessung eine gewünschte additive Konstante willkürlich hinzugefügt werden. Eine andere Möglichkeit, eine gewünschte additive Konstante zu erzeugen oder eine ungewünschte additive Konstante zu eliminieren, besteht darin, die !-Schaltung aus den Widerständen 1,2,3 um einen weiteren Widerstand zu erweitern, der awisonen den Knotenpunkt der !'-Schaltung und eine mit der Spannung U korrelierte oder identische Spannung k.,.U\ zu schalten ist.

Auch kann die Widerstandsbrücke aus einer symmetrischen Spannungsquelle gespeist werden.

Bei geeigneter Dimensionierung der Hetzwerkwiderstände (insbesondere der Widerstände 9 und 10) kann beispielsweise eine Verstimmung AR-o/R-q der Widerstandsbrücke von nur 1/1000 eine Verstimmung des Ϊ-Schaltungs-Eingangsleitwertes G-_E von 1:10 bewirken. Diese kräftige Verstimmung ist einfach und präzise auch über größere Entfernungen meßbar, wenn beispielsweise in die Eingangslei<tung der iC-Schaltung ein Strommesser geschaltet und gleichzeitig die Brückenspeisespannung konstant gehalten wird. Dann nämlich ist der gemessene Strom

i-g = k.Ug.&g (ig s Eingangsstrom)

ein lineares Maß für den Eingangsleitwert, also ein lineares Maß für die Brückenverstimmung ÄR-g/R-g. Eine solche Anordnung arbeitet sehr zuverlässig und genau, da sie mit Ausnahme des Kompensationsverstärkers 11 ausschließlich aus passiven Bauelementen besteht. Parameteränderungen des Kompensationsverstärkers sowie Mchtlinearität und

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zeitliche Veränderung der Steuerkennlinie des steuerbaren Widerstandes 8 eliminieren sich dadurch, dass diese Glieder in einer Regelschleife angeordnet sind.

Eine zweite sehr vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit besteht darin, die vorgeschlagene Anordnung mit einem Oszillator zusammenzuschalten, derart, dass durch eine sehr kleine Verstimmung der Widerstandsbrücke die Oszillatorfrequenz eine proportionale Verstimmung erfährt. Dazu können bekannte RC-Oszillatorschaltungen benutzt werden, deren Frequenz durch den Leitwert nur eines Widerstandes linear steuerbar sind. Diese werden "so mit der vorgeschlagenen .Anordnung zusammengeschaltet, dass der Eingangswiderstand der !-Schaltung an die Stelle des.frequenzsteuernden Oszillatorwiderstandes tritt. Dabei besteht oft gleichzeitig die Möglichkeit, die Speisespannung der Widerstandsbrücke direkt dem Oszillator zu entnehmen. Anordnungen wie die zuletzt beschriebene lassen sich sehr vorteilhaft zu Fernmeßzwecken einsetzen, da sich die informationstragende Größe - die Frequenz - sehr störsicher übertragen läßt.

Patentansprüche: - 7 -

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Claims

Belegexemplar Darf nicht geändert werden - 7 Patentansprüche:.

1.) Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer kleinen Widerstandsänderung in eine dieser proportionale große leitwertänderung "bei einer Meßbrücke, enthaltend eine Einrichtung zur automatischen Kompensation der Brückenverstimmung durch ein an die Brücke angeschlossenes Widerstandsnetzwerk, dadurch gekennzeichnet, dass eine

(13) der" Brückenausgangsklemmen (13,14-) mit einer Ausgangsklemme (12) einer aus 3 Widerständen (8,9,10) bestehenden !-Schaltung verbunden ist, von denen der einer Eingangsklemme (15) der [D-Schaltung zugewandte Längswiderstand (8) durch die Einrichtung zur automatischen Kompensation veränderbar ist.

2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Widerstand (18) von einer

(14) der beiden Brückenausgangsklemmen (13,14) zum Bezugspotential gelegt ist.

3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Widerstand vom Knotenpunkt der Widerstände (8,9,10) der !-Schaltung zu einer mit der Speisespannung korrelierten oder identischen Spannungsquelle führt und zur Kompensation einer Vorverstimmung dient oder eine solche bewirkt.

4.) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsklemme (15) der !-Schaltung mit einer Oszillatorschaltung derart verbunden ist,, dass der Eingangswiderstand der Ϊ-Schaltung die Frequenz dieses Oszillators bestimmt.

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