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Elektrische Meßschaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische
Meßschaltung für die Bestimmung der Differenz zweier temperaturabhängiger elektrischer
Widerstände , von denen einer oder beide durch die zu messende Größe veränderlich
sind, insbesondere zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit strömender Medien,
mit einer diese beiden Widerstände enthaltenden symmetrischen Brückenschaltung.
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Bei den bisher bekannten Meßschaltungen dieser Art wurden von dem
jeweiligen Meßwiderstand oder den jeweiligen MeBwiderständen mehrere eitungen zu
einem geeigneten Verstärker geführt. Von diesem Verstärker erstreckten sich dann
weitere Leitungen zu dem jeweiligen Auswertegerät. Der Aufwand dieser Meßschaltungen,
insbesondere der Leitungsaufwand, ist demnach verhältnismäßig hoch. Durch die Verwendung
einer solchen Vielzahl von Leitungen und deren Erfordernisse in der Pührung und
beim Anschluß ist eine derartige Meßschaltung neben diesem Aufwand auch stark störungsanfällig,
und
zwar insbesondere durch Schwankungen des Leitungswiderstandes durch Temperaturänderungen
an den Eupferleitungen oder an den Übergangswiderständen an Schaltern, Steckern,
Klemmleisten, Schleifringübertragern und dergl.
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sowie durch induktive Fremdspannungen und Spannungsabfälle an langen
gemeinsamen Leitungen.
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Der Erfindung liegt die rufgabe zugrunde, eine MeR-schaltung der
eingangs angegebenen Brt zu schaffen, bei der der geschilderte Leitungsaufwand vermieden
wird und die mit sehr einfachen Mitteln und mit geringstem Aufwand die Meßwert-
bzwO Signalübertragung ermöglicht. Dabei soll insbesondere erreicht werden, daß
eine direkte ankopplung an den Meßfühler erfolgen kann und das Juiswertegerät möglichst
direkt in die Ausgangsleitung der eigentlichen Meßschaltung gelegt werden kann.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die veränderlichen
Widerstände in zwei parallele Brückenzweige und in die verbleibenden Brückenzweige
jeweils eine Konstantstromquelle eingeschaltet sind und an die Diagonalspannung
der Brückenschaltung ein Differenzverstärker angeschlossen ist, dessen Ausgangsstrom
auf die dem jeweils kleineren der veränderlichen Widerstände zugeordnete Konstantstromquelle
derart rückgekoppelt ist, daß in dem den jeweils kleineren der veränderlichen Widerstände
enthaltenden Brückenzweig ein den durch die Veränderung des oder der Widerstände
verändernden Spannungsabfall kompensierender Strom fließt. Wird eine derartige Meßschaltung
im Fühler oder im Meßwertgeber mit eingebaut, so ergibt sich eine dreipolige Meßschaltung,
die über zwei Anschlußklemmen an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, wahrend
über eine dritte Anschlußklemme der eingeprägte Signal- oder Ausgangestrom fließt,
der gleichzeitig eine proportionale Funktion der zu messenden Eingangsgröße ist.
Da die Funktion und die Genauigkeit inweiten Grenzen von der Versorgungsspannung
abhängig sind und der Signal- oder Ausgangsstrom eingeprtgtes Stromverhalten besitzt,
ist es damit möglich, die Versorgungsleitungen teilweise als Sammelleitungen zu
installieren
und die Signal- oder Ausgangsstromschleife an jedem beliebigen punkt zwischen der
einen Anschlußklemme und der zugehörigen Versorgungsklemme zu schliessen. Die Schwankungen
der Beitungswiderstände durch Temperaturänderungen an den kupferleitungen oder an
den Übergangswiderständen der Schalter, Stecker, Elemmleisten, Schleifringübertrager
u.dgl. sowie induktive Fremdspannungen und Spannungsabfälle an langen gemeinsamen
leitungen haben keinen Einfluß auf diesen- einreprägten Meßstrom.
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Ds ist daher auch möglich, die Fühler, Meßwertaufnehmer und die Versorgungsspannung
jeweils einseitig an das Erd- oder Massepotential anzuschließen, ohne daß bei einer
Parallelschaltung beliebig vieler Fühler und Meßwertuafnehmer an eine einzige Versorgungsspannung
be. zentrale Spannungsversorgung die Meßgenauigkeit der einzelnen Meßkreise beeinflußt
wird.
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Bin weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß praktisch beliebig viele
@nzeigegeräte oder -glieder in der Meßleitung der Signal- oder Ausgangsleitung liegen
können, solange der durch die Schaltung vorgegebene zulässige Außenwiderstand nicht
überschritten wird. Sind für eine Meßgröße mehrere Anzeigen an verschiedenen Orten
erforderlich, z.B. am Meßort, an einer Warte und in der-zentralen Neßwarte, so können
Fühler oder Meßwertaufnehmer mit Anzeigeinstrument und Versorgungsspannung durch
eine einpolige Reihenschaltung auf die einfachste und wirtschaftlichste Art verbunden
werden. Es werden daher im Gegensatz zu den eingangs geschilderten bekannten anlagen
die Installationskosten für eine Meßanlage durch die gebildete dreipolige Meßschaltung
nach der Erfindung wesentlich gesenkt. Ferner ist für sämtliche Neßkreise nur eine
zentrale Versorgungsspannung erforderlich.
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ach einer Ausführungsform der erfindung sind als Konstantstromquellen
jeweils ein Transistor mit einem Strombegrenzungswiderstand im Emitterkreis in die
Brückenschaltung
eingeschaltet und ist auf den dem jeweils kleineren der veränderlichen Widerstände
zugeordneten Transistor der Ausgangsstrom des Differenzverstärkers rückgekoppelt.
Hierdurch wird eine besonders einfache Steuerung der erforderlichen Kompensation
erzielt.
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In weiterer Ausbildung der brfindung ist der Ausgang des Differenzverstärkers
an die Basis eines Transistors angeschlossen, in den Emitterkreis dieses Transistors
ein tompensationswiderstand eingreschaltet und der Spannungsabfall an diesem Kompensationswiderstand
zur k-ückkopplung an die Basis des dem jeweils kleineren der veränderlichen Widerstände
zugeordneten Transistors gelegt. Hierdurch wird eine besonders einfache Steuerung,
Rückkopplung und Stromkompensation sowie eine besonders einfache erzeugung des eingeprägten
Ausgangs- oder Signalstroms erreicht.
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Für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit strömender Medien ist
es von besonderem Vorteil, wenn in weiterer Ausbildung der erfindung der Kompensationswiderstand
denselben Temperaturbeiwert wie die veränderlichen widerstände der brückenschaltung
aufweist. bs wird dadurch erreicht, daß der eingeprägte Äusgangs- und Signalstrom
eine reine Punktion der Strömungsgeschwindigkeit ist.
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In der Zeichnung sind zwei Auführungsbeispiele der erfindung dargestellt.
ne zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild des Schaltungsprinzips, von dem die erfindung ausgeht,
und zwar zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit strömender Medien, Fig. 2 ein
der Fig. 1 entsprechendes Schaltbild des Schaltungsprinzip mit zweiMeßgrößen beeinflußten
Meßwiderständen in der Brückenschaltung, Pi. 3 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform
der Meßschaltung nach der erfindung zur bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
strömender Medien,
Fig. 4 ein Schaltbild entsprechend Fig. 3 zur
Bestimmung der Differenz zweier durch jeweils eine Meßgröße beeinflußter Widerstände
in der Brückenschaltung als zweite Ausführungsform der Erfindung.
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Bs soll zunächst anhand des Schaltbilds gemäß Fig. 1 und Fig. 2 das
der Erfindung zugrunde liegende Prinzip erläutert werden.
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Grundlage der Erfindung ist eine abgewandelte Wheatstone-Brückenschaltung.
In zwei parallelen Brückenzweigen ist jeweils ein temperaturabhängiger Meßwiderstand
R1 und R2 eineschaltet. Die in den verbleibenden Brückenzweigen eingeschalteten
konstaten Widerstände sind mit R3 und R4 bezeichnet. ss bedeuten ferner: grd1 und
grd2 die jeweilige Eingenerwärgung der veränderlichen Widerstände R1 und R2, grd3
und grd4 die durch das jeweils die Widerstände umgebende Medium hervorgerufene gleiche
Abkühlung, grd5 die zusätzliche Abkühlung des veränderlichen Widerstands Ri gemäß
Fig. 1 durch den Einfluß der Meßgröße, tu die Umgebungstemperatur, 1 1 und 2 die
Temperaturbeiwerte der veränderlichen widerstände R1 und R2, Ua die Diaonalspannung
der Brückenschaltung, Ue die lingangs- oder Versorgungsspannung für die Brückenchaltung,
I1 und I2 die Ströme in den beiden Brückenszweigen und xe und xe' die veränderlichen
bzw. zu messenden Größen, die unabhängig voneinander oder bei gleicher zu messender
physikalischer Größe entgegengesetzt zueinander die Meßwiderstände R1 und R2 beeinflussen.
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bs möge zunächst anhand der Fig. 1 das Meßprinzip ei der bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit strömender Medien über die Temperaturen erläutert werden0
s sind beide temperaturabhängige Meßwiderstände R1 R2 in das zu messende strömende
Medium eingetaucht.
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beide Meßwiderstände besitzen die gleichen elektrischen wie thermischen
Eigenschaften, nämlich den gleichen Nennwiderstand bei einer Nenntemperatur von
z.B. 20°C, den gleichen Temperaturbeiwert @1 und @2 sowie die gleiche Wärmeableitkonstante
A1 = A2. Es sind auch die Brückenströme I1 und
und I2 gleich groß
und so bemessen, daß eine Eigenerwärmng grd1 und grd2 in den Meßwiderständen 1 und
R2 entsteht.
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bin Teil dieser b-igenerwärmung wird durch das stehende Medium abgebaut,
wie durch die Abkühlungen grd3 und grd4 angegeben ist.
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Der Meßwiderstand R1 ist nun in das sich bewegende oder strömende
medium eingetaucht, während der Meßwiderstand R2 sich im stehenden Medium befindet.
Infolge der Strömung des Medium entsteht am Meßwiderstand R1 eine zusätzliche einseitige
Abkühlung grd5. Bei unendlicher Strömungsgeschwindigkeit ergäbe sich daher die Gleichung
grdl - grd3 - grd5 = O. Der Meßwiderstand R1 befindet sich im Strömungsmaximum bzw.
in der Strömungsmitte. R2 ist wie R1 der Umgebungstemperatur tu ausgesetzt, jedoch
durch das stehende Medium.
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Die Differenz der Meßwiderstände R2 - R1 ist damit ein Maß für die
Strömungsgeschwindigkeit. Bei einer Brückenschaltung gemäß Fig. 1 ist also die Diagonalspannung
Ua eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit.
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Ein entsprechendes Schaltungsprinzip ist in Fig. 2 dargestellt. Hier
wird jedoch nicht über ein strömendes Medium auf die Meßwiderstände R1 und R2 eingewirkt,
sondern über verschiedene Meßgrößen, die durch xe und xe' angedeutet sind. Bs könnten
z.B. für die Meßwiderstände Desnungsmeßstreifen, Feldplatten o.dgl. verwendet werden.
Im übrigen entspricht das Prinzip dem anhand Fig. 1 eläuterten Meß-und Schalutngsprinzip.
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Sir. 3 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,
und zwar entsprechend Fig. 1 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden
Mediums. Es sind dort die entsprechenden Größen eingetragen. ltinzu kommen noch
die mit U1 und U2 bezeichneten Spannungsabfälle an den Heßwiderständen R1 und R2.
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In zwei parallele Brückenzweige der Brückenschaltung sind wieder
die veränderlichen Widerstände R1 und lL)
eingeschaltet. In die
verbleibenden Brückenzweige ist jeweils eine Konstantstromquelle eingeschaltet,
die einerseits, und zwar in bezug auf den Meßwiderstand R1, aus einem Transistor
T3 mit dem im Emitterkreis liegenden Strombegrezungswiderstand R3 und andererseits,
in bezug auf den Meßwiderstand R2 aus dem Transistor T4 und in dessen Emitterkreis
liegenden Strombegrezungswiderstand R4 besteht.
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An die Diagonal spannung der Brückenschaltung ist ein Differenzverstärker
V angeschlossen. Dieser Differenzverstärker nimmt daher die Brückenverstimmung auf
und verstärkt das entstehende Signal, also die Diagonalspannung Ua. An den Ausgang
des Differenzverstärkers V ist die Basis eines weiteren Transistors T1 angeschlossen.
Im Emitterkreis dieses Transistors T1 liegt ein einstellbarer Kompensationswiderstand
RK in eihe mit einer Zenerdiode D. Der Verbindungepunkt zwischen dem emitter des
Transistors T1 und dem Kompensationswiderstand RK ist an die Basis des Transistors
T3, also der Konstantstromquelle tür den Meßwiderstand R1 angeschlossen. Dabei ist
vorausgesetzt, daß der Meßwiderstand R1 den jeweils kleineren der beiden Meßwiderstände
darstellt. Der Verbindungspunkt dem Kompensationswiderstand RK und der Zenerdiode
D ist an die Basis des Transistors T4, also der Konstantstromquelle für den brückenzweig
zum Meßwiderstand R2 angeschlossen.
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Im Kollektorkreis des Transistors T1 liegt das jeweils verwendete
Anzeige- oder Auswertegerät A. Die gesamte Schaltung liegt an der Versorgungsspannung,
die durch die Darstellung einer Batterie angedeutet ist.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung soll anhand der eingangs prinzipiell
beschriebenen Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit strömender Medien erläutert
werden. Dabei wird wiederum vorausgesetzt, daß sich der Meßwiderstand R2 im stenenden
medium befindet, währenu der Meßwiderstand R1 von dem medium umströmt wird.
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Der Grundgedanke der Meßschaltung nach der Erfindung besteht darin,
die strömungsbedingte Abkühlung grd5, also die durch die Meßgröße bedingte Veränderung
des Widerstands R1, durch eine erhöhte Stromzufuhr # 11 in dem zugehörigen brückenzweig
bzw. eine daraus resultierende höhere Ligenerwärmung vt grd1 zu kompensieren, in
dem der Spannungsabfall U1 am Meßwiderstand R1 genau so groß gehalten wird, wie
der Spannungsabfall U2 am Meßwiderstand R2. Dies geschieht durch die einleitend
schaltungstechnisch geschilderte Rückkopplung des Ausgangsstroms des Differenzverstärkers
V in den zugehörigen Transistor T3, also die zugehörige Konstantstromquelle.
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Über den Meßwiderstand R2 fließt ein konstanter, durch die Konstantstromquelle
mit dem Transistor T4 eingeprägter Strom I2, der in seiner Größe durch die Spannung
Uz der Denen diode'D, den Transistor T4 und den Strombegrenzungswiderstand R4 bestimmt
ist. Über den Meßwiderstand R1 fließt zunächst der gleiche eingeprägte Grundstoff
I1, der durch die zugehörige Konstantstromquelle mit dem Transistor T3 konstant
gehalten wird und in seiner Größe durch die Spannung U z der Zenerdiode D, den Transistor
T3 und den Strombe;renzungswiderstand R3 bestimmt ist. Damit ist die brückenschaltung
bei einer Strörnungsgeschwindigkeit 0 symmetrisch, es tritt keine Diagonalspannung
auf.
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Durch eine Strömung des Mediums am 1eßwiderstand R1 entsteht eine
einseitige Abkühlung grd5 an dem Meßwiderstand R1. Damit wird die Größe des Widerstands
R1 und dessen Spannungsabfall U1 geringer. Es wird also infolge der Abkühlung grd5
die Brückenschaltung verstimmt, so daß eine Diagonalspannung UA auftritt. Diese
Diagonalspannung UA steuert den Differenzverstärker V aus. Der Differenzverstärker
steuert seinerseits über seinen Ausgangsstrom den Transistor T1 in den stärker leitenden
Zustand, so daß der rusgangs- oder Signalstrom 1a erhöht wird.
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Diese Erhöhung des Ausgangs- oder Signalstroms Ia führt zu einem
Spannungsabfall RK x 1: an dem Kompensationswiderstand
RK. Infolge
der Rückkopplung führt dieser Spannungsabfall zu einer Aussteuerung des transistors
T3 der Konstantstromquelle für den Meßwiderstand R1, wodurch der strom 11 in diesem
brückenzweig erhöht wird. Infolge dieser Rückkopplung und Kompensation wird die
Brückenschaltung bei entsPrechend großer Kreisverstärkung wieder in ihre nullage
überführt. Die Meßschaltung verbleibt in diesem Zustand, solange die meßgröße in
der geschilderten Weise auf den Meßwiderstand R1 einwirkt.
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Das Ergebnis ist, daß der Ausgangs- oder Signalstrom sich linear
mit der Differenz der Bruckenströme 11 und I2 ändert. Es ist daher der Strom Ia
der gewünschte Signalstrom, der zur Darstellung der Meßgröße oder zu deren tuswertung
auf das Auswerte- oder Anzeigegerät A zur Wirkung kommt.
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Zweckmäßig wird bei den geschilderten Anwendungsbeispiel für den
Kompensationswiderstand RK der gleiche Temperaturbeiwert >- wie die Temperaturbeiwerte
½ 1 und n 2 der Neßwiderstände R1 und R2 gewählt. Es ist dann der Ausgangs- oder
Signalstrom 1a eine reine Funktion der Strömungseschwindigkeit.
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Zusammenfassend wird bemerkt, daß das durch die Brfindung angewandte
prinzip darin besteht, die Veränderung der Meßwiderstände und damit die Verstimmung
der Brückenschaltung durch einen erhöhten Strom zu kompensieren, bis an den beiden
Meßwiderständen wieder die gleiche Spannung anliegt, wobei dann der veränderte Ausgangs-
oder Signal-oder Versorgungsstrom direkt Maß für die jeweilige zu messende oder
zu bestimmende Größe darstellt.
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bie in Fig. 4 dargestellte Meßschaltung entspricht in ihrem Aufbau
der Meßschaltung gemäß Fig. 3. Es soll annand der Fig. 4 ergänzend demonstriert
werden, daß die Anwendung der Meßschaltung nach der Erfindung nicht beschränkt auf
die Beeinflussung eines einzigen Meßwiderstandes durch eine bestimmte Meßgröße.
ne ist vielmehr der gleiche Aufbau
mit der entsprechenden Wirkungsweise
zu- erzielen, wenn beide Meßwiderstände durch verschiedene Meßgrößen beeinflußt
werden, wie dies durch die Pfeile xe und xe an R1 bzw. R2 in Fig. 4 angedeutet ist.
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Auch in einem derartigen Meßfall führt eine entsprechende Verstimmung
der Brückenschaltung über den Differenzverstärker V und die Veränderung des Ausgangsstroms
Ia über den Transistor T1 zu einer Kompensation des Brückenstromes I1, bis die Spannungsabfälle
U1 und U2 an den Meßwiderständen R1 und R2 gleich sind und die Diagonalspannung
UA annähernd Null ist. Die erforderliche kompensation durch Erhöhung des Ausgangsstroms
1a ist ein niaß für die Differenz der Einflüsse der Meßgrößen auf die Meßwiderstände
R1 und R2.
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In den beiden Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 wird daher die
einleitend geschilderte dreipolige Meßschaltung, eingebaut in einem Fühler oder
im Meßwertgeber, geschaffen, wobei jeweils die Anschlußklemmen 1 und 2 an die Versorgungsspannung
angeschlossen sind, während über die dritte Anschlußklemme 3 der eingeprägte Signal-
oder Ausgangsstrom Ia fließt.