DE2307977C3

DE2307977C3 - Schaltungsanordnung mit einer elektrischen Brücke

Info

Publication number: DE2307977C3
Application number: DE19732307977
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 7036 Schoenaich Nenning
Original assignee: Centra-Buerkle & Co 7036 Schoenaich GmbH
Current assignee: Centra-Buerkle & Co 7036 Schoenaich GmbH
Priority date: 1973-02-17
Filing date: 1973-02-17
Publication date: 1980-05-29
Also published as: DE2307977A1; DE2307977B2

Description

Hierdurch wird erreicht, daß die durch den Operationsverstärker 30 und die Widerstände 29, 31 und 32 gebildete Saugschaltung bei Brückenverstimmung in dem Widerstand 31 denselben Stromdurchgang bewirkt, wie er in dem Widerstand 26 durch den Operationsverstärker 25 bewirkt wird, wobei diese Ströme und damit die Ströme in der Leitung 34 und der Leitung 33 praktisch einem Kurzschlußstrom entsprechen, wobei jeweils einer der Ströme in die Ausgangsdiagonale an der Stelle 23 oder 24 einströmt und der andere Strom an der Stelle 24 oder 23 aus der Ausgangsdiagonalen ausströmt. Man kann den die Ströme in den Leitungen 33 und 34 betreffenden Sachverhalt auch so beschreiben, daß in diesen Leitungen ein Strom fließt, der zumindest nahezu demjenigen Strom entspricht, der in einer die Stellen 23, 24 verbindenden Kurzschlußleitung strömen würde. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 25 ist praktisch exakt proportional der Ausgangsgröße der Brücke 16.

An den Brückenpunkt 23 ist ferner der invertierende Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 40 angeschlossen, dessen anderer Eingang bei 12 an Masse liegt. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers 40 ist über einen Widerstand 2 an den nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 15 angeschlossen. Ferner ist der nicht invertierende Eingang dieses ersten Operationsverstärkers 15 über einen Widerstand 1 an den Eingang 14 der Schaltungsanordnung angeschlossen. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 40 ist ferner über einen Widerstand 3 an den invertierenden Eingang 22 des ersten Operationsverstärkers 15 angeschlossen. Die Widerstände 1 bis 4 sind so zu treffen, daß folgende Gleichung erfüllt ist:

/?, : R₂ = Ra : Ri.

wobei die Indizes die betreffenden Widerstände 1 bis 4 bezeichnen. Es ergibt sich eine exakte Speisung der Brücke 16 mit eingeprägtem Strom.

In diesem Ausführungsbeispiel weist die Meßbrücke 16 zwei Meßwiderstände 19, 20 auf, die die Brücke entgegengesetzt verstimmen, so daß der der Brückenverstimmung entsprechende Strom in der Leitung 33 ein Maß für die Differenz der durch die Meßwiderstände gefühlten Werte der betreffenden Zustandsgrößen ist. Es gelingt, selbst bei Verwendung nichtlinearer Widerstände 19, 20 durch geeignete Größen der Widerstände 17, 18 oder zusätzliche Maßnahmen zu erreichen, daß die Brückenverstimmung sehr gut proportional zu der Differenz der gefühlten Werte der beiden Zustandsgrößen ist insbesondere dann, wenn die Widerstände IS, 20 eine progressive Charakteristik haben, wie z. B. Nickelwiderstandsthermometer. Die Brückenverstimmung ist auch proportional zu der zwischen dem Masseanschluß 10 und dem Eingang 14 anliegenden Eingangsspannung, so daß man, falls erwünscht, diese Eingangsspannung multiplizieren kann mit der Differenz der die Meßwiderstände 19, 20 beeinflussenden Werte der betreffenden Zustandsgrößen. Falls eine Multiplikation nur zwischen einem einzigen, die Brücke verstimmenden Meßwert und der Eingangsspannung der Schaltungsanordnung vorgenommen werden soll, kann man einen der beiden Meßwiderstände 19, 20 durch einen konstanten Widerstand ersetzen. Falls keine Multiplikation notwendig ist, speist man die Schaltungsanordnung mit konstanter Gleich- oder Wechselspannung.

Der zweite Operationsverstärker 40 zusammen mit den Widerständen 1—4 bewirkt, daß der Brückenpunkt 23 auf demselben Potential wie die Masseanschlüsse 10 bis 13 gehalten wird. Wenn die Masse die Spannung Null hat, d. h., die Masseanschlüsse geerdet sind, wird entsprechend der Brückenpunkl 23 ständig auf dem Potential Null gehalten. Die Masse kann jedoch auch ein von Null abweichendes Potential haben.

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung hat im strichpunktiert umrandeten Teil 42 eine ähnliche ίο Ausbildung wie die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit den Unterschieden, daß die Widerstände 1, 2 am invertierenden Eingang und die Widerstände 3, 4 am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers

15 angeschlossen sind, und ferner in den Gegenkopplungszweig 21 des ersten Operationsverstärkers 15 eine Gleichrich*erschaltung 43, hier eine Gieichrichterbrükke gelegt ist, deren Ausgangspolc über zwei Polumschalter 44,45 an die Eingangsdiagonale der Meßbrücke

16 angeschlossen sind.

In diesem Ausführurigsbeispiel ist die Schaltungsanordnung ferner erfindungsgemäß so weitergebildet, daß sie der Integration (Zählung) von Wärmemengen oder ggfs. auch von anderen zu multiplizierenden Eingabewerten dient. Zu diesem Zweck ist an den Ausgang des dritten Operationsverstärkers 25 der Eingang eines Integrators 46 angeschlossen, der in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Miller-Integrator ist und dessen Ausgangsimpulse ein Zählwerk 47 fortschalten. Der Ausgang dieses Integrators 46 steuert ferner über

jo eine Stellvorrichtung 49, beispielsweise eine Relaisspule, einen Schrittmotor oder dergleichen die Umschalter 44, 45 in der Weise, daß bei jedesmaligem Auftreten eines Ausgangsimpulses des Integrators 46 die Meßbrücke 16 umgepolt wird, so daß der Integrator 46 abwechselnd aufwärts bis zu einem bestimmten Maximalwert und abwärts bis zu einem bestimmten Minimalwert zählt, wobei jedes Erreichen des Maximal- und Minimalwertes einen Ausgangsimpuls auslöst

Wenn, wie bevorzugt vorgesehen, diese Schaltungsanordnung für einen Wärmemengenzähler vorgesehen ist, dann wird die an den Eingang 14 angelegte Eingangsspannung proportional zur zeitlichen Strömungsmenge des Wärmeträgerfluidums getroffen. Einer der beiden Meßwiderstände 19, 20 dient der Messung der Vorlauftemperatur und der andere der Rücklauftemperatur des Wärmeträgerfluidums, z. B. in einer Heizungsanlage, Klimaanlage oder dergleichen.

Aufgrund der beschriebenen Ausbildung dieser Schaltungsanordnung gelingt es ohne weiteres, daß der in den Leitungen 33, 34 auftretende Strom streng proportional zum Quotienten zwischen der Eingangsspannung an den Anschlüsser. 10 und 14 und dem Widerstand 1 und damit streng proportional zu dieser Eingangsspannung ist Dies gilt streng, obwohl der invertierende Eingang 22 des Operationsverstärkers 15 infolge der Ansteuerung durch den Ausgang des Operationsverstärkers 40 über den Widerstand 2 auch zusätzliche Spannungshübe ausführt, die sich jedoch nicht auf den in der Ausgangsleitung des Operationsver-

fao stärkers 15 auftretenden Strom auswirken, sondern nur dessen Ausgangsspannung beeinflussen. Es ergibt sich bei dieser Schaltungsanordnung folglich, daß bei Verwendung in einem Wärmemengenzähler die Brükkenverstimmung, d. h. der in den Leitungen 33 und 34 auftretende Strom proportional zu der zeitlichen Strömungsmenge Q des Wärmeträgerfluidums und proportional zu der durch die Meßwiderstände 19, 20 gemessenen Differenz zwischen Vorlauftemperatur 7Y

und Rücklauftemperatur Tr ist, so daß das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers 25 proportional zu Q(Tv- Tr) ist. Dieses Ausgangssignal wird integriert und der Integrationswert durch das Zählwerk 47 angezeigt.

Bei den in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnungen können zweckmäßig alle dargestellten Widerstände ohmsche Widerstände sein. Doch versteht es sich, daß je nach Erfordernis zumindest einige dieser Widerstände auch andere Impedanzen sein können, insbesondere kapazitive Widerstände oder Kombinationen ohmscher und kapazitiver Widerstände und daß

auch zusätzliche elektrische oder elektronische Kompo-•nenten und sonstige schaltungstechnische Maßnahmen getroffen sein können, da die Figuren nur Prinzipschaltungen zeigen.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat die Erfindung auch den Vorteil, daß sie für die Erzeugung des eingeprägten Brückenspeisestromes keine Transformatoren benötigt, welche baulich sehr aufwendig wären und auch kaum die mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielbare Genauigkeit zulassen wurden und auch nicht primärseitig mit Gleichspannung gespeist werden könnten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung mit einer mit eingeprägtem Strom gespeisten elektrischen Brücke, vorzugsweise einer Meßbrücke, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden brückenseitigen Anschlußstellen (23, 24) der Ausgangsdiagonale der Brücke (16) mittels Verbindungsleitungen (33,34) an die beiden Eingänge eines Operationsverstärkers (dritter Operationsverstärker 25) angeschlossen sind, daß der Ausgang des Operationsverslärkers (25) über eine Saugschaltung (29, 30,31, 32) an die von der einen Anschlußstelle (23) der Ausgangsdiagonalen zum nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (25) führende Verbindungsleitung (34) angeschlossen ist, welche Saugschaltung so getroffen ist, daß sie die Stromstärke in der Verbindungsleitung (34), an die sie angeschlossen ist, an die in der anderen Verbindungsleitung (33) angleicht, so daß die beiden brückenseitigen Anschlußstellen (23, 24) der Ausgangsdiagonale bis auf die geringe Steuerspannung für den Operationsverstärker (25) auf demselben Potential gehalten sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang (14) der Schaltungsanordnung über einen Widerstand (1) mit einem ersten Eingang eines ersten Operationsverstärkers (15) verbunden ist, daß die Eingangsdiagonale der Meßbrücke (16) in einen Gegenkopplungszweig (21) des ersten Operationsverslärkers (15) zwischengeschaltet ist, der vom Ausgang dieses Operationsverstärkers zu dessen invertierendem J5 Eingang führt, daß eine Anschlußstelle (23) der Ausgangsdiagonaien der mindestens einen Meßwiderstand (19, 20) aufweisenden Brücke (16) mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers (40) verbunden ist, dessen anderer Eingang auf demjenigen konstanten Potential gehalten ist, auf welchem auch die genannte Anschlußstelle (23) der Ausgangsdiagonalen der Brücke durch die Schaltungsanordnung gehalten wird, daß der Ausgang des zweiten Operationsver- 4^r> stärkers (40) über einen zweiten Widerstand (2) an den ersten Eingang des ersten Operationsverstärkers (15) angeschlossen ist, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (40) ferner über einen dritten Widerstand (3) an den zweiten Eingang to des ersten Operationsverstärkers (15) angeschlossen ist, wobei dieser Eingang über einen vierten Widerstand (4) an das genannte konstante Potential angeschlossen ist, daß das Verhältnis Ri : /?2 = Ra ■ Ri ist, wo mit R₁ bis R* die Widerstände (1) bis (4) bezeichnet sind, und daß in der Ausgangsdiagonalen der Brücke (16) vorzugsweise mittels eines mit einer Saugschaltung (29,30,31,32) zusammenwirkenden dritten Operationsverstärkers (25) ein einem Kurzschlußstrom zumindest nahezu entsprechender Strom bewirkt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugschaltung einen vierten Operationsverstärker (30) aufweist, der vom Ausgang des dritten Operationsverstärkers (25) über einen Gegenkopplungs-Spannungsteiler (29,32) des Teilungsverhältnisses 1 :1 so gesteuert wird, daß der Ausgang dieses vierten Operationsverstärkers (30) gleich große Spannungshübe wie der Ausgang des dritten Operationsverstärkers (25) ausführt, die jedoch entgegengesetzte Polarität wie die Spannungshübe des dritten Operationsverstärkers haben, und daß zwischen dem Ausgang des vierten Operationsverstärkers (30) und dem nichtinvcrtierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers (25) ein Widerstand (31) liegt, der denselben Widerstandswert wie der Gegenkopplungswiderstand (26) des zum invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers (25) zurückführenden Gegenkopplungszweiges dieses Operationsverstärkers (25) hat

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugschaltung einen vierten Operationsverstärker (30) aufweist, der Spannungshübe ausführt, diu in der Phase entgegengesetzt zu der Ausgangsspannung des dritten Operationsverstärkers (25) sind, wobei die Amplituden der Ausgangsspannungshübe des vierten Operationsverstärkers (30) jedoch größer oder kleiner als die Amplituden der Ausgangsspannung des dritten Operationsverstärkers (25) sind und daß der Ausgang des vierten Operationsverstärkers an den ■.lichtinvertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers (25) über einen Widerstand (31) angeschlossen ist, der einen solchen Widerstandswert hat, daß in ihm der gleiche Strom fließt wie in dem zwischen dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers und dessen invertierendem Eingang zwischengeschalteten Gegenkopplungswiderstand (26).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2—4, dadurch gekennzeichnet, daß sie an ihrem Eingang (10,14) mit Wechselspannung gespeist wird, daß im Gegenkopplungszweig (21) des ersten Operationsverstärkers (15) eine Gleichrichterschaltung (43) angeordnet ist, deren Ausgänge die Brücke (16) speisen, daß das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers (25) mittels eines Miller-Integrators (46) integriert wird und daß bei jedesmaligem Auftreten eines Ausgangsimpulses des Miller-Integrators die Eingangsspannung der Brücke (16) mittels einer Umschaltvorrichtung (44, 45, 49) umgepolt wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei nichtlinearem, vorzugsweise eine progressive Charakteristik aufweisenden Meßw^:derstand der oder die konstanten Widerstände der betreffenden Brückenhälfte der Brücke (16) so auf den Meßwiderstand (19, 20) abgestimmt sind, daß die Brückenverstimmung zumindest nahezu proportional zu dem von dem Meßwiderstand gefühlten jeweiligen Wert der zu messenden Zustandsgröße ist.

7. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 zur Multiplikation eines weiteren Meßwertes mit der den Meßwiderstand beeinflussenden Zustandsgröße oder zur Multiplikation dieses weiteren Meßwertes mit der Differenz oder Summe der wie Meßwiderstände beeinflussenden Zustandsgrößen durch Veränderung der Eingangsspannung der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit des weiteren Meßwertes.

8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung der Multiplikation einer durch zwei Meßwiderstände der Brücke gefühlten Temperaturdifferenz eines Wärmeträgerfluidums mit einem zu dessen zeitlicher

Strömungsmenge
dient

proportionalen Eingangssignal

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung diener Art (DE-OS 14 73 596) sind die beiden Brückenhälften miteinander gekoppelt Dies erschwert die Beeinflussung der Brückencharakteristik, da sich die Charakteristiken der beiden Brückenhälften gegenseitig beeinflussen. Auch ist die Genauigkeit oft nicht ausreichend, wenn man Messungen ohne Abgleich der Brückenverstimmung durchführen will.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, bei einer Schaltungsanordnung mit einer mit eingeprägtem Strom gespeisten Brücke die zu beiden Seiten der Ausgangsdiagonalen dieser Brücke befindlichen Brükkenhälften zu entkoppeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Indem die beiden brückenseitigen Anschlußstellen der Ausgangsdiagonalen der Brücke bis auf die geringe Steuerspannung für den Operationsverstärker auf demselben Potential gehalten sind, sind die beiden Brückenhälften der Brücke praktisch voneinander entkoppelt Hierdurch lassen sich mittels dieser Brücke Messungen und sonstige Operationen, u. a. auch Analogrechnungen, leicht und genau durchführen, ohne daß die Brückenverstimmung abgeglichen werden muß. Auch läßt sich die Brückencharakteristik leichter und besser beeinflussen, da man die Charakteristik jeder Brückenhälfte unabhängig von der anderen Brückenhälfte beeinflussen kann.

Die Schaltungsanordnung eignet sich sowohl zur Speisung mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung.

Durch die Entkopplung der beiden Brückenhälften schafft man u. a. auch die Möglichkeit, daß man bei Verwendung von nichtlinearen Meßwiderständen, also von Meßwiderständen, deren Widerstandswerte sich nichtlinear mit der den Meßwiderstand beaufschlagenden Zustandsgröße, bspw. einer Temperatur, Druck od. dgl., ändern, durch geeignete Abstimmung eines oder mehrerer konstanter, ggfs. einstellbarer Widerstände der betreffenden Brückenhälftt oder durch sonstige Maßnahmen jede Brückenhälfte für sich linearisieren kann, so daß sich die Brückenverstimmung trotz des nichtlinearen Meßwiderstandes linear mit der den betreffenden Meßwiderstand beaufschlagenden Zustandsgröße ändert. Ein solcher nichtlinearer Meßwiderstand kann auch eine progressive Charakteristik haben. Dies schafft bspw. die Möglichkeit, bei Temperaturmessungen Nickel-Widerstandsthermometer als Meßfühler oder ähnliche nichtlineare Temperaturfühler einsetzen zu können.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben. Eine besonders einfache Schaltungsanordnung, die de ..iocii sehr hohe Genauigkeit erreichen läßt, ist in Anspruch 2 beschrieben. Diese Schaltungsanordnung läßt sich vielseitig verwenden. Eine bevorzugte Verwendung ist gemäß Anspruch 7 die zur Multiplikation eines weiteren Meßwertes mit der den Meßwiderstand beeinflussenden Zustandsgröße oder zur Multiplikation dieses weiteren Meßwertes mit der Differenz oder Summe der die Meßwiderstände beeinflussenden Zustandsgrößen durch Veränderung der Eingangsspannung der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit des weiteren Meßwertes. Diese zu multiplizierenden Größen können beliebig sein. Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist gemäß Anspruch 8 vorgesehen, daß die Schaltungsanordnung der Multiplikation einer durch zwei Meßwiderstände der Brücke gefühlten Temperaturdifferenz eines Wärmeträgerfluidums mit einem zu dessen zeitlicher Strömungsmenge proportionalen Eingangssignal dient

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt wobei es sich versteht daß sie in zahlreichen weiteren Ausführungsformen verwirklicht werden kann.
In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine erste Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, welche zur Zählung von Wärmemengen dient

In den beiden Figuren sind sich entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat Masseanschlüsse 10 bis 13. An den Masseanschluß 10 und den Eingang 14 wird die Eingangsspannung angelegt die je nach Verwendung der Schaltungsanordnung eine konstante Gleich- oder Wechselspannung oder variable Gleich- oder Wechselspannung sein kann.

3d In den Gegenkopplungszweig 21 eines ersten Operationsverstärkers 15 ist eine Meßbrücke 16 zwischeng=- schaltet, die vier Brückenzweige mit den Widerständen 17 bis 20 hat Die Widerstände 19, 20 sind Meßwiderstände, beispielsweise temperatur- oder druck- oder zugabhängige Widerstände oder dergleichen. Die anderen beiden Widerstände 17, 18 sind konstante Widerstände. Der Gegenkopplungszweig 21 führt vom Ausgang des ersten Operationsverstärkers 15 zu dessen invertierendem Eingang 22. Der Masseanschluß 11 ist über einen Widerstand 4 ebenfalls an diesen invertierenden Eingang 22 angeschlossen.

Die Ausgangsdiagonale der Meßbrücke 16 ist an die Verbindungsstellen 23, 24 der Brückenzweige angeschlossen und weist einen dritten Operationsverstärker 25 auf, dessen Ausgang über einen Widerstand 26 mit dem invertierenden Eingang 27 dieses Operationsverstärkers 25 gegengekoppelt ist. Dieser invertierende Eingang 27 ist ferner an den Brückenpunkt 24 angeschlossen. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers 25 ist ferner über einen Widerstand 29 an den invertierenden Eingang 29' eines vierten Operationsverstärkers 30 angeschlossen, dessen anderer Eingang an dem Masseanschluß 13 liegt. Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers 30 ist über einen Widerstand 31 an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25 angeschlossen, wobei dieser Eingang auch an den Brückenpunkt 23 angeschlossen ist Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers 30 ist ferner über einen Widerstand 3?. zum invertierenden

bo Eingang dieses Operationsverstärkers 30 rückgeführt (gegengekoppelt).

Die Widerstände 26, 29, 31 und 32 müssen folgende Gleichung erfüllen, damit bei auftretender Brückenverstimmung die Stromstärken in den beiden Leitungen 33 und 34 jeweils gleich groß sind: