DE2450111A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der brueckenspannung in einer widerstandsbruecke mittels einer analog-digital-converter-anordnung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum messen der brueckenspannung in einer widerstandsbruecke mittels einer analog-digital-converter-anordnung

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DE2450111A1 DE19742450111 DE2450111A DE2450111A1 DE 2450111 A1 DE2450111 A1 DE 2450111A1 DE 19742450111 DE19742450111 DE 19742450111 DE 2450111 A DE2450111 A DE 2450111A DE 2450111 A1 DE2450111 A1 DE 2450111A1
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Description

GLAWE, DELFS, MOLL * PARTNER
PATENTANWÄLTE
DR.ING. R. GLAWE, MÜNCHEN DIPL.-ING. K. DELFS, HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. W. MOLL, MÜNCHEN DIPL.-CHEM. DR. U. MENGDEHL, HAMBURG
8 MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 TEL. (089) 22 65 48 TELEX 52 25 05 spez
MÖNCHEN
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AKTIEBOLAGET BOi1ORS 690 20 Bofors/ Schweden
Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Brückenspannung
in einer Widerstandsbrücke mittels einer
Analog-Digital-Oonverter-Anordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Brückenspannung in einer Widerstandsbrücke mittels einer Analog-Digital-Converter-Anordnung (im folgenden ADO-Anordnung genannt), insbesondere zur Verwendung bei Kraftwandlern mit Dehnungsmeßeinrichtungen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung eines Anaog-Digital-Converters (im folgenden ADG genannt).
Beim Umwandeln der Brückenspannung einer Widerstands-
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brücke in einen Digitalwert ist es bekannt, das Ausgangssignal der Brücke mit Hilfe eines doppelten Rampenintegrationsvoltmeters in Digitalform umzuwandeln. Als Brückenspannung wird ein Spannungsausgangssignal durch die Brückenverbindung erzeugt, das in praktischen Anwendungen mit einer Widerstandsbrücke für Dehnungsmeßeinrichtungen bis zu 5 mV klein ist, und da eine Auflösung von 1OOOO Einheiten gewünscht sein kann, entspricht eine Einheit bei der Umwandlung 0,5 uV. Um das Signal leicht umwandeln zu können, wird es oft zuerst etwa lOOmal verstärkt, um ein leichter umwände !bar es Signalniveau für das ADO zu erhalten und um dem Gerät eine höhere Eingangsimpedanz zu geben.
Wenn der Brücke Gleichspannung zugeführt wird, enthält der digitalisierte Wert sowohl das Ausgangssignal der Widerstandsbrücke und thermoelektrisch erzeugte Spannungen als auch die Eingangsdifferenzspannung des Verstärkers. Sowohl die Eingangsdifferenzspannung des Verstärkers als auch die thermoelektrisch erzeugten Spannungen sind temperaturabhängig, und es muß eine große Sorgfalt darauf verwendet werden, diese zu kompensieren.
Um die Yerstärkerdrift zu eliminieren ist es bekannt, einer Widerstandsbrücke Wechselspannung zuzuführen, wobei dann die thermoelektrischen Spannungen und die Verstärkerdrift keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben. Andererseits ist es relativ kompliziert, die Amplitude der Speisespannung
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zu steuern, und in den ZufUhrungsleitungen oder in den eigentlichen Brückenteilen werden Blindwiderstände auftreten, die das Meßergebnis ■verfälschen. Außerdem muß das Wechselspannungssignal nach der Verstärkung gleichgerichtet werden.
Um die Verstärkerdrift in Systemen auszuschalten, die mit einer Gleichspannung der Widerstandsbrücke arbeiten und deren Ausgangesignal in einem Gleichspannungsverstärker vor der Digitalisierung -verstärkt wird, werden verbesserte ADGs mit unterschiedlichen automatischen Nullpunkts-Ausgleichsmethoden verwendet. Der Einfluß der Verstärkerdrift auf Verstärker, Integrator und Vergleicher wird bei diesen ADOs ausgeschaltet, jedoch wird andererseits der Einfluß der thermoelektrisch en Spannungen nicht kompensiert. Um diese Spannungen ebenfalls zu kompensieren, ist es bekannt, einen Analogspeicher oder sogenannten trap-Schaltkreis zu verwenden, der zuerst das verstärkte Ausgangesignal der Widerstandsbrücke bei anliegender Spannung speichert und danach die Differenz zwischen den verstärkten Signalen von der Widerstandsbrücke mit bzw. ohne anliegender Speisespannung konvertiert. Dadurch kann sowohl der Einfluß der Nullpunktsverschiebung des Verstärkers als auch der der thermoelektrischen Spannungen vermieden werden. Ein wesentlicher Nachteil des oben erwähnten Verfahrens ist darin zu sehen, daß bei niedrigen Störfrequenzen ein genauer zeitlicher Mittelwert des Ausgangssignals der Widerstandsbrücke nicht erhalten werden kann, da die Analog-Pilterung bei der Konversion unterbrochen ist, wenn die Spei-
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sespannung der Widerstandsbrücke abgeschaltet ist. Daher muß ein langer Zeitraum zum Einstellen des Filters zwischen jeder Konversion verstreichen, was sehr oft unzweckmäßig ist. Bei digitaler Filterung ist eine hohe Konversionsgeschwindigkeit erforderlich, und es werden bei hohen Konversionsgeschwindigkeiten Fehler erhalten, da die Speisespannung nicht angeschlossen ist und daher der Zustand der Brücke während eines langen Zeitraumes nicht bestimmt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein ADC zum Messen der Brückenspannung einer Widerstandsbrücke, beispielsweise für einen Kraftwandler, zu schaffen, der sowohl die thermoelektrischen Spannungen als auch die Nullpunkts-Verschiebung des Verstärkers kompensiert.
Die erfindungsgemäße ADG-Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die Speisespannung der Widerstandsbrücke und der ADC-Schaltungsanordnung zwei Phasen aufweist, daß während der ersten Phase der Widerstandsbrücke eine Spannung mit der einen Polarität und während der zweiten Phase eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität zugeführt wird, wobei die Speisespannung in der entsprechenden Phase dann konstant ist, daß die Umwandlung des analogen Ausgangssignals der Widerstandsbrücke in Digital-Darstellung während beider Phasen stattfindet und daß ein Digital-Wert durch diese zwei oder mehr Umwandlungen derart gebildet wird, daß die Nullpunktsverschiebung des Verstärkers und die thermoelektri-
«. A. —
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sehen Spannungen nicht in dem gebildeten Digital-Wert enthalten sind.
. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
wird das verstärkte Ausgangssignal der Widerstandsbrücke mit zwei doppelten Rampen-ADCsumgewandelt, die so synchronisiert sind, daß der erste ADC das Signal des Verstärkers während
im wesentlichen der Zeit integriert, in der die Widerstandsbrücke mit einer positiven Speisespannung verbunden ist, und daß der zweite ADG das Signal des Verstärkers während im wesentlichen der Zeit integriert, in der die Widerstandsbrücke mit der negativen Speisespannung verbunden ist. Danach wird die Differenz zwischen den zwei Konversionen gebildet und
ein digitaler Wert erhalten, der keinen Beitrag von der NuIlpunkts-VerSchiebung des Verstärkers oder den thermoelektrischen Spannungen enthält. Das Signal von der Widerstandsbrücke wird während des Hauptteils der Gesamtzeit integriert und nicht während der Zeit, die erforderlich ist, um die Polarität zu ändern, und digitale Filterung kann mit guten Ergebnissen verwendet werden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 in einem teilweisen Blockdiagramm einen Analog-Digital-Gonverter gemäß dem der Erfindung zugrundeliegenden Grundgedanken und
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Fig. 2 eine andere erfindimgsgemäße Ausfuhrungsform, bei der Unterschiede in der Amplitude der positiven und negativen Speisespannung keinen Einfluß auf das Ergebnis haben.
Gemäß Pig. 1 weist eine erfindungsgemäße AIXJ-Anordnung eine Widerstandsbrücke 2 auf, die von einer Gleichspannungsquelle (ER) über einen Umschalter 1 gespeist wird. Die Widerstandsbrücke besteht aus einer konventionellen Wheatstone-Brücke, deren eine Diagonale mit der Gleichspannungsquelle (Et.) über den Umschalter 1 und deren andere Diagonale mit einem Verstärker 3 verbunden ist.
Es sei insbesondere festgestellt, daß die Widerstandsbrücke für Kraftwandler verwendbar ist, wobei dann in bekannter Weise die Elemente der Brücke aus Dehnungsmeßeinrichtungen bestehen. Durch geeignete Anordnung der vier Dehnungsmeßeinrichtungen an einem einer Deformation ausgesetzten Teil wird die in der Brücke gemessene Brückenspannung dann einen Maßstab der Größe der die Deformation verursachenden Kraft darstellen. Das Ausgangesignal (ej von der Brücke wird zusammen mit der Nullpunkts-Verschiebungsspannung des Verstärkers und der thermoelektrischen Spannung von dem Schaltkreis (Summenspannung EQ-p) in dem Gleichspannungsverstärker 3 verstärkt. Während der positiven Speisespannungsperiode wird die Ausgangsspannung (E ) des Verstärkers mit einem ersten Doppelrampen-ADC 4 und während der negativen Speisespannungsperiode
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mit einem zweiten Doppelrampen-ADC 5 verbunden. Die Umschaltung zwischen den zwei ADCs ist durch den Umschalter 1 für die Spβisespannung synchronisiert. Beide ADCs sind mit der G-leichspannungsquelle (ER) verbunden, die als Referenzspannung dient. Die Ausgangssignale der ADCs sind mit einem Differenzzähler 6 verbunden, der einen Digital-Wert berechnet, der den Unterschied zwischen den zwei Konversionen darstellt. Das Ausgangesignal des Differenzzählers 6 ist mit einer Ausleseeinheit 7 verbunden, um das Meßergebnis darzustellen. Aus den folgenden mathematischen Beziehungen kann festgestellt werden, daß das Differenzsignal keinen Beitrag von der Uullpunkts-Verschiebung des Verstärkers oder von der thermoelektrischen Spannung enthält.
Es gelten die folgenden Beziehungen:
1. Bei positiver Speise- 2. Bei negativer Speisespannungspolarität Spannungspolarität
Eg-E11 E3-
e, = K · En e^ = K
D Jj ü
^i ~ b " ^Oj? ^i ~ eB " ^1QJ?
E Λ TP T? — Λ _ TP
= A · ϋ<4 Ja., — Jci * üij
Eingesetzt ergibt dies:
1. 2.
Eu = A(K . E11 - E0E) Eu = -A(K · Eg, + E0J1).
Ton einem Wert, der den Quotienten ^/E^ während der Periode
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darstellt, wird ein Wert subtrahiert, der den Quotienten EU/ER während der Periode 2 darstellt, und das Ergebnis stellt dann die Brückendifferenz ohne jeglichen Einfluß von Eqp wie folgt dar:
ER - 3W + A<K * ER + 38OT > = 2 AK
In den obigen Gleichungen kennzeichnen K die Brückendifferenz in der Widerstandsbrücke und A die Verstärkung des Gleichspannungsverstärkers 3.
Es sei festgestellt, daß der Einfluß der Nullpunkts-Verschiebung des Verstärkers und die thermoelektrische Spannung vollständig vermieden wird, falls diese den gleichen Wert während der zwei Phasen haben. Da die Änderungen der Nullpunkts-Verschiebung des Verstärkers und der thermoelektrischen Spannung sehr langsame Vorgänge sind (beide Änderungen folgen der Umgebungstemperatur), und da sich die zwei Phasen mehrere Male während einer Sekunde wechseln, können diese Spannungen als stationär in den obigen Gleichungen betrachtet werden.
Die Pig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer ADO-Anordnung zum Messen der Brückendifferenz in einer Widerstandsbrücke, die derart verbunden ist, daß die Differenz der Amplitude der positiven und der negativen Speisespannung,
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der durch die Nullpunkts-Verschiebung in den Versorgungsverstärkern 8, 9 für die Brücke verursacht wird, keinen Einfluß ' auf das Ergebnis hat. In diesem Pail wird ein Gleichrichterverstärker 3' für den Absolutwert verwendet, so daß es möglich ist, einfachere ADO-Verbindungen zu verwenden. Damit der in dieser Anordnung konvertierte Wert verwendbar .ist, muß e-r» größer sein als Eq-t, · Die Gleichspannungsquelle (Ε«) ist mit einer der Diagonalen der Widerstandsbrücke 21
über den Umschalter 1' verbunden. In den Leitungen zu der Brücke hin sind zwei Brückenmeßverstärker 8, 9 angeordnet, die eine Nullpunkts-Verschiebungsspannung Eq-^ verursachen. Im Pail der !ig. 1 bildet Eg die Brückenspeisespannung. Das Ausgangssignal e-g der Wider stands brücke erzeugt zusammen mit der Nullpunkts-Verschiebungsspannung des Verstärkers und der thermoelektrischen Spannung des Schaltkreises (Summenspannung Eqj,) die Eingangs spannung (E.) für den Absolutwert-Grleichrichterverstärker 31. Die Aus gangs spannung (E„) des Verstärkers ist während der positiven Speisespannungsperiode mit einem ersten ADC 4' und während der negativen Speisespannungsperiode mit einem zweiten ADC 51 über den Umschalter 1 · synchron verbunden.
Wie im Pail der Pig. 1 sind beide ADCs mit einer Referenzspannung, der Gleichspannungsquelle ER, verbunden. Die AusgangesignaIe von den zwei ADCs werden einem Zähler 61 zugeführt, der einen Digital-Wert berechnet, der die Summe der der zwei Konversionen darstellt. Die folgenden mathematischen
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AO
ι?
Beziehungen gelten für die Schaltungsanordnung gemäß ig. 2
1. Bei positiver Speise- 2. Bei negativer Speisespannungspolar ität Spannungspolarität
eB = K . Eg eB = K . Eg
Ej = Q-D — Ελ-ττ, Ε· = β-Γ> — Έ,
Eu - A^E1 Eu - -A-E1
Eingesetzt ergibt dies:
-EOT) 2.
Ein Impulszug, der die Spannung E /E^ während der Phase 1 darstellt, wird in dem Zähler gezählt und danach ein Impulszug, der die Spannung E /E„ während der Phase 2 darstellt. Die Summe wird abgelesen und danach wird der Zähler auf Full zurückgesetzt. Die Summe wird gebildet durch den Ausdruck
A(K (E11 + E0M) - E01,) - A(K (-E11 + EQM) -EQp) = 2 AK
Es sei wie oben festgestellt, daß der Einfluß der Nullpunkts-Verschiebung und der thermoelektrischen Kraft vermieden ist, und außerdem der Einfluß der Nullpunkts-Verschiebung der Speiseverstärker für die Brücke.
Die Erfindung i»t nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der Erfindung und der folgenden Ansprüche verändert werden. Daher kann es
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ζ.B.Ν für "bestimmte Anwendungen "vorteilhaft sein, anstelle zweier ADGs nur einen einzelnen ADO, beispielsweise des VCO-Typs, zu verwenden, der das verstärkte Ausgangssignal von der Brücke während beider Phasen empfängt. In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, daß der Digital-Wert durch mehr als zwei Konversionen gebildet wird.
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Claims (5)

  1. Jl
    Patentansprüche
    y Vorrichtung zum Messen der Brückenspannung in einer WiderStandsbrücke, beispielsweise einer Meßbrücke mit Dehnungsmeßeinrichtungen, mittels einer ADO-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung der Brücke und der ADC-Anordnung zwei Phasen aufweist, daß während der ersten Phase der Brücke (2, 21) eine Spannung (Eg) der einen Polarität und während der zweiten Phase der»Brücke (2, 21) eine Spannung (Eg) der entgegengesetzten Polarität zugeführt und danach die entsprechende Phase der Speisespannung konstant ist und daß die Eonversion des Analog-Signals der Brücke (2, 21) in Digital-Darstellung während beider Phasen durchgeführt und ein Digital-Wert durch diese zwei oder mehr Konversionen derart gebildet wird, daß die Nullpunkts -Verschiebung eines die BrückenausgangsSignaIe verstärkenden Verstärkers und die thermoelektrischen Spannungen nicht in dem gebildeten Digital-Wert enthalten sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung zweier miteinander derart synchronisierter ADCs (4» 5; 4', 51)» daß das Verstärkerausgangssignal von der Brücke (2, 2·) während im wesentlichen der gesamten ersten Phase dem ersten ADC und während im wesentlichen der gesamten zweiten Phase dem zweiten ADC zugeführt ist. ■
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  3. 3. Torrichtung nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der digitalisierte Wert durch Differenzbildung der beiden Konversionswerte gebildet ist.
  4. 4· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der digitalisierte Wert durch Summenbildang der beiden gleichgerichteten Absolutwerte des Verstärkerausgangssignals gebildet ist.
  5. 5. Verfahren zum Messen der Brückenspannung in einer Widerstandsbrücke, beispielsweise einer Meßbrücke mit Dehnangsmeßeinrichtungen, mittels einer ADG-Anordnung, dadurch geketinze ichnet, daß die Speisespannung der Brücke tind der ADG-Anordnung zwei Phasen aufweist, daß während der ersten !hase der Brücke (2, 21) eine Spannung (Eg) 4er einem Polarität waü während der zweiten Phase der Brücke (2„ 21) eine Spannung (Eg) der entgegengesetzten Polarität zugeführt und danach die entsprechende Phase der Speisespannung konstant ist und daß die Konversion des Analog-Signals der Brücke (2, 21) in Digita!-Darstellung während beider Phasen durchgeführt und ein Digital-Wert durch diese zwei oder mehr Konversionen derart gebildet wird, daß die NuIlpunkts-Verschiebung eines die BrückenausgangssignaIe verstärkenden Verstärkers und die thermoelektrischen Spannungen nicht in dem gebildeten Digital-Wert enthalten sind.
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DE19742450111 1973-10-23 1974-10-22 Verfahren und vorrichtung zum messen der brueckenspannung in einer widerstandsbruecke mittels einer analog-digital-converter-anordnung Pending DE2450111A1 (de)

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