DE1944400A1

DE1944400A1 - Multi-point measuring device for precise resistance measurements

Info

Publication number: DE1944400A1
Application number: DE19691944400
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl-Ing Knapp; W Dipl-Ing Markowski; Christof Dr-Ing Rohrbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1969-09-02
Publication date: 1971-03-11

Description

A Patentbeschreibung Dezeichnung der Erfindung; Vielstellen-Meßeinrichtung für genaue Widerstandsmessungen Die Erfindung betrifft eine VIelstellen-Meßeinrichtung zur genauen Messung nehrerer gleichartiger elektrischer Widerstände oder anderer physikalischer Größen, die sich mit Hilfe von Meßwertgebern In Widerstandsänderungen umwandeln lassen Zur Messung kleiner Widerstandsänderungen z.B.-bei der Messung von Dehnungen, Drücken, Kräften und Temperaturen mit Widerstandsgebern werden fast ausschließlich Brückenschaltungen nach Wheatstone verwendet [1]. Die von der Meßgröße abhängigen Widerstände werden dabei In einer Vollbrücke, bestehend aus 4 BrUckenzwelgen, miteinander und/oder mit festen Referenzwiderständen verglichen. Die Speisung der VollbrUcke erfolgt durch eine einzige Strom- oder Spannungsquelle.A patent description drawing of the invention; Multi-point measuring device for Accurate Resistance Measurements The invention relates to a multiple site measuring device for the exact measurement of several similar electrical resistances or others physical quantities which, with the help of transducers, result in changes in resistance can be converted For measuring small changes in resistance, e.g. during measurement of strains, pressures, forces and temperatures with resistance transducers are almost only bridge circuits according to Wheatstone are used [1]. The one of the measurand dependent resistances are in a full bridge, consisting of 4 bridges, compared with each other and / or with fixed reference resistances. Feeding the The full bridge is made by a single current or voltage source.

Bei Meßproblemen mit vielen gleichartigen Meßtellen bzw. Meßobjekten ist es üblich, die zu messenden Widerstände nacheinander in die Brücke einzuschalten. Nicht reproduzierbare Kontaktwiderstände sowie tempern turabhängige Zuleitungswiderstände können bei dieser Methode das Meßergebnis u.U. erheblich verfälschen. Mit Schaltungen nach Thomson und Rohrbach t1] können solche XontakteinflUsse durch zusätzlice Widerstände und Kontakte vermieden werden Jedoch nur dann, wenn die Ubergangswiderstände der Kontakte klein sind im Vergleich zu den Nennwiderständen der BrUckenzwelge. Deshalb werden zur Umschaltung derartiger Widerstandsgeber bisher ausschließlich metallische kontakte mit kleinem Übergangswiderstand verwendet. Die Nachteile mechanisch bewegter, metallischer Kontakte sind die mechanische Trägheit verbunden mit Prellerscheinungen, die Empfindlichkeit gegen Beschleunigungen, der hohe Leistungsbedarf verbunden mit parasitären Thermospannungen infolge Erwärmung und induktiver Beeinflussung des Kontaktkreises, sofern die Kontakte elektromagnetisch betätigt werden, und die begrenzte Lebensdauer. Elektronische Schalter, wie beispielsweise MOS-Feldeffekt-Transitoren, haben nicht die o.g. Nachteile, ihr Durchlaßwiderstand ist jedoch wesentlich größer (ca. 100 W) als der Übergangswiderstand metallischer Kontakte (einige 10M# bis einige 100 m#). Darum sind elektronische Schalter nicht zur Umschaltung niederohmiger Brückenzweige sondern nur zur Umschaltung der hochohmig abgeschlossenen Brückendiagonale geeignet. Elektronische Stellenumschalter erfodern deshalb je eine Vollbrücke pro Meßstelle.For measuring problems with many similar measuring points or objects to be measured it is common practice to switch the resistances to be measured into the bridge one after the other. Non-reproducible contact resistances and temperature-dependent lead resistances can significantly falsify the measurement result with this method. With circuits According to Thomson and Rohrbach t1], such contact influences can be caused by additional resistances and contacts are avoided, however, only if the contact resistances of the Contacts are small compared to the nominal resistances of the bridge pole. That's why have so far only been metallic for switching such resistance sensors contacts with low contact resistance are used. The disadvantages of mechanically moved, metallic contacts are the mechanical inertia associated with bouncing phenomena, the sensitivity to acceleration, the high power requirement associated with it parasitic thermal voltages as a result of heating and inductive influence on the Contact circuit, provided the contacts are operated electromagnetically, and the limited Lifespan. Electronic switches, such as MOS field effect transistors, do not have the disadvantages mentioned above, but their forward resistance is much greater (approx. 100 W) than the transition resistance of metallic contacts (some 10M # to some 100 m #). That is why electronic switches are not used to switch over low-resistance bridge branches but only suitable for switching over the high-resistance closed bridge diagonal. Electronic position switches therefore require one each Full bridge per measuring point.

Der vcrliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wheatstone-Brücke durch eine Schaltung zu ersetzen, bei der die Übergangswiderstände der Schalter grundsätzlich ohne Einfluß sind, so daß auch die elektronische Umschaltung von Widerstandsgebern mit vertretbarem Aufwand möglich wird.The present invention is based on the object of the Wheatstone Bridge to be replaced by a circuit in which the contact resistances of the switches are basically without influence, so that the electronic switching of resistance sensors becomes possible with a reasonable effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß anstelle der Brückenschaltung eine Vergleichsschaltung aus nur zwei Widerständen verwendet wird. Die Widerstände werden mit konstantem Strom aus getrennten Quellen gespeist, wobei das Verhältnis der Ströme sehr konstant gehalten wird. Die Widerstände sind einseitig so miteinander verbunden, daß in der an diese Verbindung angeschlossenen leitung die Summe der Ströme fließt. In Reihe zu den Widerständen liegen die zugehörigen Schalter zur Durchschaltung der Stromquellen. Die Differenz der an den Widerständen abfallenden Spannungen wird Uber weitere Schalter einem Spannungsmeßgerät zugeführt.This object is achieved in that instead of the Bridge circuit a comparison circuit consisting of only two resistors is used. The resistors are fed with constant current from separate sources, whereby the ratio of the currents is kept very constant. The resistances are one-sided so connected that in the line connected to this connection the sum of the currents flows. The associated resistors are in series with the resistors Switch for switching through the power sources. The difference between the resistors Falling voltages are fed to a voltmeter via further switches.

Das Prinzip der Erfindung und einige AusfUhrungsbeispiele werden in den folgenden Figuren näher erläutert.The principle of the invention and some exemplary embodiments are in explained in more detail in the following figures.

Fig. 1 Meßeinrichtung mit Vergleichaschaltung, Schaltern und Sp;nnungsmeßgerät.Fig. 1 measuring device with comparison circuit, switches and voltage measuring device.

Fig. 2 Meßeinriehtung -mit Vergleichsschaltung, Schaltern, Nullabgleich und Spannungsmeßgerät.Fig. 2 measuring device -with comparison circuit, switches, zero adjustment and tension meter.

Fig. 3 Stromquellen mit zentralem Nullabgleich.Fig. 3 current sources with central zero adjustment.

Fig. 4 Meßeinrichtung mit Spannungs-Regelung.4 measuring device with voltage regulation.

Die Vergleichsschaltung in Fig. 1 enthält die Widerstände Rin und die . zur Messung miteinander verglichen werden. Alle an die angeschlossenen Widerstände R11, R12 ... und R21, R22 ... sind einseitig untereinander und mit den Stromquellen verbunden. Die andere Seite der Widerstände wird über die Schalter Sin und S2m mit den Stromquellen und - parallel dazu - über die Schalter S1n' und S2m' mit dem Spannungsmeßgerät verbbinden. Die Schalterwerden so betätigt, daß Jeweils nur ein Paar von Widerständen angeschaltet idt. Dz das Spannungsmeßge rät, z.B, ein Differenzverstärker 1 mit nachgeschaltetem Anzeige oder Registriergerät 2, einen hochohmlgen Eingang besitzt, fließen die von den Stromquellen erzeugten Ströme il und 12 auch in den Widerständen Rln und R2m, Bei konstanten Strömen il und i2 ist die Differenz der an den Widerständen abfallenden Spannungen (i1 . R1n - 12 # R2m) unabhängig von den Ubergangswiderständen und den Thennospannungen der Schalter S1n und S2m. Ebenso sind auch die Ubergangswiderstände der Schalter S1n' und S2m' ohne Einfluß auf das Meßergebnis. Der Einfluß der Zuleitungswiderstände kann ebenfalls eliminiert werden, wenn die einseitige Verbindung der Widerstände und die Spannungsabgriffe unmittelbar an den Widerständen angebracht werden. Bei Xnderung des Widerstandes R1n um ERln ändert sich die gemessene Spannung um ii # gRln. Die Empfindlichkeit der Widerstandsmessung ist also doppelt so groß wie bei der Wheatstone-Briicke; außerdem ist der Zusammenhang von Widerstandsänderung und Ausgangsspannung streng linear, auch bei großen Widerstandsänderungen.The comparison circuit in Fig. 1 includes resistors Rin and the . can be compared with each other for measurement. All to the connected resistors R11, R12 ... and R21, R22 ... are on one side with each other and with the power sources tied together. The other side of the resistors is connected to the Sin and S2m switches the current sources and - in parallel - via the switches S1n 'and S2m' with the voltmeter connect. The switches are operated so that only one pair of resistors at a time switched on idt. Dz the voltage measuring device, e.g., a differential amplifier 1 with downstream display or recording device 2, has a high-resistance input, the currents I1 and I2 generated by the current sources also flow in the resistors Rln and R2m, with constant currents il and i2 the difference is an the Resistances dropping voltages (i1. R1n - 12 # R2m) independent of the transition resistances and the thenno voltages of switches S1n and S2m. The transition resistances are also the same the switches S1n 'and S2m' have no influence on the measurement result. The influence of the lead resistance can also be eliminated if the unilateral connection of the resistors and the voltage taps are attached directly to the resistors. at If the resistance R1n changes by ERln, the measured voltage changes by ii # gRln. The sensitivity of the resistance measurement is therefore twice as great as with the Wheatstone Bridge; there is also the relationship between the change in resistance and Output voltage strictly linear, even with large changes in resistance.

Der Nullabgleich kann in bekannter Weise durch zusätzliche veränderbare Widerstände, die in Reihe oder parallel zu den Widerständen Hin oder R2m liegen, vorgenommen werden. Eine weitere bekannte Möglichkeit des Nullabgleichs zeigt Fig. 2. Hier wird dem Spannungsmeßgerät eine zusätzliche Kompensationsquelle vorgeschaltet. Diese Kompensatiosquelle besteht aus einer Brückenschaltung, deren veränderlicher Zweig vielfach vorhanden ist. Zur Speisung dieser Brücke wird eine potentialfreie Stromquelle benötigt. Der daraus entnommene Strom muß konstant - oder besser - proportional zu den Strömen i1 oder i2 sein.The zero adjustment can be done in a known manner by additional changeable Resistors that are in series or parallel to the resistors Hin or R2m, be made. Another known possibility of zeroing is shown in Fig. 2. An additional compensation source is connected upstream of the voltmeter. This Kompensatiosquelle consists of a bridge circuit, whose variable Branch is often present. A potential-free one is used to feed this bridge Power source required. The current drawn from it must be constant - or better - proportional to the currents i1 or i2.

Die Art der Erzeugung der Ströme i1 und i2 ist an sich nicht Gegenstand der Erfindung. Eine Methode zur Erzeugung gleich großer Gleichströme in galvanisch getrennten Kreisen unter Verwendung von Übertragern und Gleichrichtern wird von Horn [2] angegeben. Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Stromquellen bestehend aus einer Spannungsquelle, zwei Spannungsteilern und zwei Spannungs-Strom-Wandlern. Die Spannungs -Strom-Wandler sind hier in bekannter Weise mit Hilfe von drift- und rauscharmen Operationsverstärkern realisiert. Die Eingänge der Verstärker sind entsprechend der invertierenden oder nicht-invertierenden Eigenschaft mit + oder - gekennzeichnet. Rg1 und Rg2 sind die Gegenkopplungswiderstände. Die Verstärker-Ausgänge oder die Stromversorgung der Verstärker müssen bei dieser Schaltung potential frei sein. Mit hochwertigen Verstärkern kann beispielsweise eine Konstanz dea Stromverhältnisses von 5 # 10-7/°C erreicht werden. Die Spannungsteiler dienen zur Einstellung der Ströme und/oder des Stromverhältnisses. An dieser Stelle kann auch ein zentraler Nullabgleich z.B. mittels digitaler steuerbarer Spannungsteiler in Verbindung mit einem Abgleichspeicher vorgenonmen werden.The way in which the currents i1 and i2 are generated is not per se subject the invention. A method for generating equally large direct currents in galvanic separate circuits using transformers and rectifiers is made of Horn [2] stated. Fig. 3 shows another embodiment consisting of the current sources from a voltage source, two voltage dividers and two voltage-current converters. The voltage-current converters are here in a known manner with the help of drift and implemented with low-noise operational amplifiers. The inputs of the amplifiers are accordingly the inverting or non-inverting property is marked with + or -. Rg1 and Rg2 are the negative feedback resistances. The amplifier outputs or the The power supply of the amplifiers must be potential-free with this circuit. With high-quality amplifiers, for example, the current ratio can be constant of 5 # 10-7 / ° C can be achieved. The voltage dividers are used to set the Currents and / or the current ratio. At this point there can also be a central Zero adjustment e.g. by means of a digital controllable voltage divider in connection with a synchronization memory.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsvariante, bei der nicht die Ströme, sondern die an dem Widerstand Rln abfallende Spannung konstant gehalten wird. Auch hier soll das Verhältnis der Ströme il : 12 sehr konstant sein Die Spannung il R in wird zwischen dem gemeinsamen Punkt der Widerstände und dem Eingang des Spannungsmeßgerätes abgegriffen und mit einem vorgegebenen Sollwert U18 in einer besonderen Vergleichsschaltung 3 verglichen. Die Sollwert-Istwert-Differenz U1S - i1 # R1n wird zur Steuerung des -Stromes 11 benutzt. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß relative Widerstandsänderungen immer mit der gleichen Empfindlichkeit gemessen werden, auch wenn die Nennwiderstände an den einzelnen Meßstellen unterschiedlich sind Dies ist besonders bei Dehnungsmessungen vorteilhaft, wenn unterschiedliche Streifen (z.B 120 Q und 600 #) verwendet werden.Fig. 4 shows a circuit variant in which not the currents, but the voltage drop across the resistor Rln is kept constant. Here too the ratio of the currents il: 12 should be very constant. The voltage il R in becomes between the common point of the resistors and the input of the voltmeter tapped and with a predetermined setpoint U18 in a special comparison circuit 3 compared. The setpoint / actual value difference U1S - i1 # R1n is used to control the -Current 11 used. With this measure it is achieved that relative changes in resistance can always be measured with the same sensitivity, even if the nominal resistances are different at the individual measuring points This is especially true for strain measurements advantageous if different strips (e.g. 120 Q and 600 #) are used.

In Betracht gezogenes Schrifttum [1] Rohrbach, Chr.: Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen; VDI-Verla6 Düsseldorf 1967 [2] Horn, K.: Fortschritte in der Schaltungstechnik elektronischer Waagen mit Analog-Kompensatoren; Siemens-Zeitschrift 38 (1964) S. 898 bis 904Considered literature [1] Rohrbach, Chr .: Handbuch für electrical measurement of mechanical quantities; VDI-Verla6 Düsseldorf 1967 [2] Horn, K .: Advances in Circuit Technology for Electronic Scales with Analog Compensators; Siemens-Zeitschrift 38 (1964) pp. 898 to 904

Claims

B claims 1. multi-point measuring device for precise resistance measurements, characterized in that a resistor (R1n) in series with the associated switch (S1n)) is that the resistor (R1n) and the switch (Sl) of a constant Current (i1) flows through that another resistor (R2m) with the associated Switch (S2m) is in series that this second resistor (R2m) and the associated A constant current (i2) flows through switch (S2m), that the ratio of the currents (i1 and 1 is kept extremely constant, In the resistors (R1n and R2m) are connected to one another on one side, that in the connected to this connection common line the sum of the currents (i1 + i2) flows and that the difference of the voltages dropping across the resistors (i1 # R1n - i2 # R2m) via others Switches (S1n 'and S2m') are fed to a voltmeter.

2. Multi-point measuring device according to claim 1, characterized in that that for the switches (S1n, S1n ', S2m and S2m') electronic switches, e.g. MOS field effect transistors, be used.

5. Vlels tellen-Me instruction according to claim 1, characterized in that that the adjustment conditions (i1. R1n - i2-. R2m - °) by changing the ratio of currents (i1 and 12) is fulfilled.

4. Multi-point measuring device according to Anapruch 1, but with the difference, that not the size of the currents (i1 and 12), but only their ratio is constant is, further characterized in that the one of the two resistors (R1n) falling voltage (il R1n) is kept constant by means of regulation that this Voltage between the common point of the resistors (R1n and R2m) and the input of the voltmeter tapped and in an additional comparison circuit (3) will be compared with a predetermined nominal value (U1S) and that the nominal value / actual value difference (U1S-i1 R1n) is used to control the current (i1).