DE2453704B1

DE2453704B1 - Schaltungsanordnung eines signalverstaerkers fuer ein messignal

Info

Publication number: DE2453704B1
Application number: DE19742453704
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Vogel and Halke
Current assignee: Vogel and Halke
Priority date: 1974-11-13
Filing date: 1974-11-13
Publication date: 1976-01-15
Also published as: FR2291502B1; FR2291502A1; JPS5168273A; GB1519029A; IT1043506B; DE2453704C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eines Signalverstärkers für ein mittels einer Meßbrücke erzeugtes Signal unter Verwendung einer Referenzspannung und eines Sinusspannungsgenerators zur Speisung der Brückenschaltung und wenigstens einer Wechselspannungs-Verstärkerstufe.
Messungen werden auf elektrischem Wege vielfach durch eine Brückenschaltung durchgeführt. Die Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf solche Schaltungen. Gemäß einer bevorzugten Anwendung handelt es sich aber um eine Brücken-Meßschaltung eines Kraftaufnehmers, insbesondere an einer Waage. Es ist bekannt, daß dabei auf einem auslenkbaren Element Widerstandsgruppen vorgesehen sind, die diametral zueinander gleiche Beschaffenheit haben, wobei jedoch in jeder Brückenhälfte Gruppen mit verschiedener räumlicher Ausrichtung vorgesehen sind, so daß sich ein Signal ergibt, wenn das Element verformt wird.

Dabei ist es bekannt, die Eingänge der Brücken-Meßschaltung mit einer Sinusspannung zu speisen derart, daß die Sinusspannung einem Eingang zugeführt wird, während der andere Eingang der Brücken-Meßschaltung an Masse liegt. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß durch die Masseverbindung Fehlereinflüsse entstehen können, die auch von anderen an Masse angeschlossenen Komponenten der Schaltungsanordnung herrühren können. Weiterhin ergibt sich der Nachteil, insbesondere bei Auswertung des Meßsignals als Wechselspannungssignal, einer Amplitudenabhängigkeit, wobei der Sinusspannungsgenerator bei Schaltung gegen Masse eine verhältnismäßig große Amplitudenaussteuerung aufweisen muß, dabei aber immer das Problem einer Gleichstromkomponenten-Überlagerung vorhanden ist.

Es ist ferner bekannt, das Ausgangssignal aus der Brücken-Meßschaltung durch mehrere Wechselspannungsverstärkerstufen zu verstärken. Zur Unterdrükkung von Gleichspannungskomponenten ist den Verstärkerstufen ein Kondensator nachgeschaltet. Dieser Kondensator muß verhältnismäßig groß ausgeführt sein, wenn eine Verfälschung des Meßwertes durch ihn vermieden werden soll. Diese Kondensatoren sind außerdem unwirtschaftlich.

Insbesondere bei Kraftaufnehmern an Waagen ergibt sich das Problem, daß der Ausgang aus der Schaltungsanordnung unabhängig von der Temperatur gleich gehalten werden muß. In diesem Zusammenhang sind Temperaturfühler am Kraftaufnehmer bekannt. Diese arbeiten jedoch unvollkommen, da bezüglich der sogenannten Meßkennlinie der Brücken-Meßschaltung zwei Einflüsse auftreten können. Diese Meßkennlinie, die gradlinig in einem Koordinatensystem aus BeIastung in bezug zur Signalgröße verläuft, kann durch Temperatureinflüsse sowohl hinsichtlich ihrer Neigung als auch des Nullpunktdurchganges im Koordinatensystem verlagert werden. Bisher war es bekannt, lediglich

Eine Rückkopplung 33 vom Abzweig 29 in die Amplitudenreglungsschaltung 24 sorgt für einen Betrieb mit großer Konstanz.

Durch Vermeidung eines Masseanschlusses der Brükken-Meßschaltung 1 ergeben sich an den Eingängen 4, 5 gegensinnig pulsierende Wechselspannungen, die praktisch zu einer Amplitudenverdopplung führen, wobei darüber hinaus Fehlereinflüsse vermieden werden.

Die Schaltungskomponente 21 für die Referenzspannung ist ferner über eine Leitung 34 mit der Ausgangsstufe 19 verbunden.

Ein wesentliches Merkmal liegt darin, daß an den Ausgang 13 der zweiten Wechselspannungsverstärkerstufe 12 auch eine Leitung 35 zum Eingang 36 einer an sich bekannten Integratorschaltung 37 angeschlossen ist, deren Ausgangsgröße über eine Leitung 38 wieder in die zweite Wechselspannungsverstärkerstufe 12 eingespeist wird. Hierbei ist eine so polarisierte Einspeisung, d. h. eine umgekehrt polarisierte Einspeisung des integrierten Wertes vorgesehen, daß der Gleichspannungsanteil in der zweiten Wechselspannungsverstärkerstufe kompensiert wird und damit dem Eingang 14 des phasenempfindlichen Gleichrichters 15 eine reine Wechselspannungskomponente zugeführt wird. Die Arbeitsweise des phasenempfindlichen Gleichrichters wird darüber hinaus durch eine Impulsformerschaltung 39 angesteuert, so daß auch hier Auswanderungen aus dem Arbeitstakt vermieden werden, insbesondere da der Eingang 40 der Impulsformerschaltung an die Leitung 28 aus dem Sinusspannungsgenerator 26 angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen der Impulsformerschaltung 39 und dem phasenempfindlichen Gleichrichter 15 ist mit 41 bezeichnet. Auf der Verbindung 16 am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters ergibt sich daher eine pulsierende Gleichspannung, die über das Filter 17 der Ausgangsstufe zugeführt wird. Das Filter siebt dabei die pulsierende Gleichspannung.

An die Brücken-Meßschaltung ist über Fühlerleitungen 42 ein Temperaturfühler 43 angeschlossen, dessen Ausgang 44 über eine Leitung 45 mittels eines Abzweiges 46 mit der Amplitudenreglungsschaltung 24 und schließlich mit einem Eingang 47 der Ausgangsstufe verbunden ist. Der Temperaturfühler liefert eine von der aufgenommenen Temperatur abhängige Ausgangsgröße bzw. Spannung, welche einmal in die Amplitudenreglungsschaltung 24 eingreift, um eine Winkeländerung der sogenannten Meßkennlinie auszusteuern bzw. zu vermeiden, und zum anderen in die Ausgangsstufe 19 eingespeist wird, damit der Ausgangswert der Meßkennlinie immer im Nullpunkt bezüglich Belastung und Ausgangsgröße der Meßbrückenschaltung gehalten wird. Das wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht, da auch in Verbindung mit der Phasenumkehrschaltung die Ausgangsgröße des einen Sinusspannungsgenerators 26 infolge der obenerwähnten Amplitudenverdopplung feinfühlig beeinflußbar ist.

Insbesondere in der bevorzugten Anwendung an Waagen besteht das Bedürfnis, eine Vorlast auszusteuern, die dem Waagensystem innewohnen kann, gegebenenfalls auch von Fall zu Fall angepaßt werden muß.

Zu diesem Zweck ist ein Potentiometer 50 zwischen die Leitungen 28 und 32 geschaltet, und die abgegriffene Spannung wird über eine Leitung 48 einem weiteren Eingang 49 der Endstufe 12 des Wechselspannungsverstärkers zugeführt. Dabei wird bemerkt, daß die abgegriffene Spannung auf Grund des Anschlusses des Potentiometers 47 dann, wenn der Abgriff aus der Mitte verlagert wird, eine Wechselspannung ist, die in der genauen Frequenz der Sinusspannung des Sinusspannungsgenerators 26 eingespeist wird. Damit werden auch für die Kompensation einer Vorlast bzw. die Einstellung einer solchen Vorlast verfälschende Einflüsse vermieden. Auch diese Ausführung steht daher in engem Zusammenhang mit der Phasenumkehrschaltung 31.

Zusätzlich ist in die Schaltungsanordnung eine Rückkopplungsstufe 51 eingeschaltet. Ihr Eingang ist über die Verbindung 52 mit dem Ausgang 20 und ihr Ausgang über die Verbindung 53 mit der Amplitudenregelungsschaltung 24 verbunden.

Die Rückkoppelstufe stellt eine multiplikative Regelstufe dar. Wenn sich beispielsweise bei zunehmender Belastung eines Elements 2 des Kraftaufnehmers 1 eine abnehmende Empfindlichkeit einstellt, dann wird der Verstärkungsfaktor durch die Rückkopplungsstufe 51 entsprechend geändert. Die Rückkopplungsstufe ist einstellbar, sie gestattet auch durch Fertigungsstreuungen bedingte, nicht vorher berechenbare Unlinearitäten auszugleichen. Durch die multiplikative Kennlinienbeeinflussung kann die Ausgangsgröße linearisiert werden, und zwar sowohl positiv als auch negativ.

Die Charakteristik der Anordnung auch in Verbindung mit dem auf den Kraftaufnehmer wirkenden Wiegesystem wird gemessen. In Abhängigkeit von der dabei festgestellten Abweichung von einer idealen linearen Kennlinie, beispielsweise in Abhängigkeit von der Belastung oder auch einer anderen Meßgröße bei anderer Anwendung wird die Rückkopplungsstufe eingestellt, so daß dann der jeweils am Ausgang 20 auftretende Wert durch die Rückkopplung automatisch den Ausgleich steuert.

Im folgenden wird zur Erleichterung des Verständnisses der Zeichnung eine Aufstellung der Komponenten angegeben.

1 Brückenmeßschaltung

10 1. Wechselspannungsverstärkerstufe

12 2. Wechselspannungsverstärkerstufe

15 phasenempfindlicher Gleichrichter

17 Filter

19 Ausgangsstufe

21 Referenzspannungsquelle

24 Amplitudenregelungsschaltung

26 Sinusspannungsgenerator

31 Phasenumkehrschaltung

37 Integratorschaltung

39 Impulsformerschaltung

43 Temperaturfühler

50 Potentiometer

51 Rückkopplungsstufe

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

einen dieser Einflüsse auszusteuern, was aber zu unzureichenden Ergebnissen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die Genauigkeit des Ausgangswertes erhöht wird, Einflüsse auf die Brükken-Meßschaltung über Masse, ferner in einer Ausgestaltung insbesondere auch große Kopplungs-Kondensatoren im Bereich der Wechselspannungs-Verstärkerstufen vermieden werden, wobei weiterhin eine Wärmekompensation für jede Art einer Abweichung der Ausgangswerte aus der Brücken-Meßschaltung geschaffen werden soll.

Ein grundlegendes Merkmal zur Lösung der Aufgabe liegt darin, daß zur Speisung der Brücken-Meßschaltung von dem Sinusspannungsgenerator zwei Leitungen ausgehen, in deren einer eine Phasenumkehrschaltung angeordnet ist, und daß ein Ausgang eines der Brücken-Meßschaltung zugeordneten Temperaturfühlers in den Sinusspannungsgenerator eingespeist ist. Durch die Phasenumkehr ergibt sich praktisch eine Ampiitudenverdopplung am Eingang. Hierdurch wird nicht nur eine genaue Messung erreicht, sondern auch eine wirtschaftliche Ausführung der Schaltungskomponenten erreicht. Durch die Zuordnung des Temeraturfühlers wird dabei eine Steuergröße eingeführt, um die Neigung der sogenannten Meßkennlinie konstant zu halten. Mit besonderem Vorteil sind die Eingänge der Brücken-Meßschaltung nur an die Leitungen aus dem Sinusspannungsgenerator angeschlossen. Auf diese Weise wird erreicht, daß jeglicher Einfluß von Masse her vermieden wird; insbesondere wird der Brücken-Meßschaltung keine Gleichstromkomponente zugeführt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens einen Wechselspannungs-Verstärkerstufe eine Integratorschaltung zugeordnet, die den Gleisspannungsanteil eliminiert. Hierdurch können die an sich üblichen Kopplungs-Kondensatoren vermieden werden. Zweckmäßig sind wenigstens zwei direkt gekoppelte Wechselspannungs-Verstärkerstufen vorgesehen. Dabei wird einbezogen, daß die Integratorschaltung an den Ausgang einer letzten Wechselspannungs-Verstärkerstufe angeschlossen ist und der Ausgang der Integratorschaltung zur Kompensierung des Gleichspannungsanteils in diese Verstärkerstufe gegensinnig gepolt zurückgespeist wird. Durch diese Anordnung einer Integratorschaltung, die an sich auch bekannterweise einen Kondensator aufweist, der allerdings weitaus kleiner aus ein Kopplungs-Kondensator am Ausgang der Wechselspannungs-Verstärkungsstufen ist, wird jegliche Verfälschung des Meßwertes bei der Eliminierung des Gleichspannungsanteils vermieden. Diese Ausführung hat also hinsichtlich der Messung und hinsichtlich der wirtschaftlichen Ausführung Vorteile.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dabei dem Sinusspannungsgenerator eine Amplitudenregelungsschaltung vorgeschaltet, an die der Ausgang eines Temperaturfühlers angeschlossen ist, um die Neigung einer Meßkennlinie der Brücken-Meßschaltung bei Temperaturänderungen konstant zu halten. Es findet also in Abhängigkeit von der Temperatur eine Amplitudenregelung des Sinusspannungsgenerators statt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Ausgang des Temperaturfühlers zugleich an eine Ausgangsstufe angeschlossen, um einen temperaturabhängigen Spannungswert zur Nullpunktverlagerung einzuspeisen und daher die Meßkennlinie der Brücken-Meßschaltung bei Temperaturänderungen in dem Nullpunkt eines Meßkoordinatensystems zu halten. Insofern wird gemäß der Erfindung der Temperaturfühler für eine Ausregelung aller Temperatureinflüsse ausgenutzt.

In weiterer Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist zwischen dem Ausgang des Sinusspannungsgenerators und einem der wenigstens einen Verstärkerstufe nachgeschalteten phasenempfindlichen Gleichrichter eine Impulsformerschaltung angeordnet, die den phasenempfindlichen Gleichrichter im Frequenztakt der Sinusfrequenz vom Sinusspannungsgenerator ansteuert. Dadurch wird die Meßgenauigkeit weiter verbessert.

Zweckmäßig ist ferner zwischen den Leitungen am Eingang der Brücken-Meßschaltung ein einstellbares Potentiometer angeordnet, an welchem eine in eine Verstärkerstufe eingespeiste Spannung abgegriffen wird, um eine Vorlast an der Brücken-Meßschaltung zu kompensieren. Hier kann auch eine besonders genaue Kompensation erfolgen, weil die abgegriffene Spannung des Potentiometers nur von den unter Vermeidung eines Masseanschlusses dem Eingang der Brükken-Meßschaltung zugeführten Werten abgeleitet wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Blockschaubildes erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Dazu wird bemerkt, daß die einzelnen Komponenten des Blockschaubildes in an sich bekannter Weise bzw. einem Fachmann geläufiger Weise ausgeführt sein können. Für die Erfindung kommt es auf die Zuordnung und Auswahl der einander zugeordneten Komponenten an.

Das Blockschaubild betrifft beispielsweise einen Frequenzverstärker für eine Waagenanzeige. Ausgangspunkt an der Waage ist ein an sich bekannter Kraftaufnehmer. An diesem ist ein Element 2 angeordnet, auf das die Last 3 der Waage wirkt. Der Kraftaufnehmer selbst enthält eine an sich bekannte Brücken-Meßschaltung 1, die, wie bei Brückenschaltungen üblich, zwei Eingänge 4, 5 und zwei Ausgänge 6, 7 hat, aus denen das Meßsignal ausgegeben wird. Diese Ausgänge 6, 7 sind über Leitungen 8,9 mit einer ersten Wechselspannungsverstärkerstufe 10 verbunden, deren Ausgang über eine Verbindung 11 mit einer zweiten Wechselspannungsverstärkerstufe 12 verbunden ist. Der Ausgang 13 dieser Wechselspannungsverstärkerstufe ist an den Eingang 14 eines phasenempfindlichen Gleichrichters 15 angeschlossen. Dieser Gleichrichter ist über eine Verbindung 16 mit einem Filter 17 verbunden, das über eine Verbindung 18 an die Ausgangsstufe 19 angeschlossen ist. Deren Ausgang 20 liefert das Meßsignal, welches zur Anzeige ausgewertet wird. Ausgangsgröße ist eine Schaltungskomponente 21, die eine Referenzspannung liefert. Diese Komponente ist über eine Verbindung 22 mit dem Eingang 23 einer Amplitudenreglungsschaltung 24 verbunden, deren Ausgang über eine Verbindung 25 mit einem Sinusspannungsgenerator 26 verbunden ist. Dieser Sinusspannungsgenerator liefert die Eingangswerte für die Brücken-Meßschaltung im Kraftaufnehmer. Im folgenden wird daher auch die Brücken-Meßschaltung mit 1 bezeichnet.

Vom Ausgang 27 des Sinusspannungsgenerators geht eine Leitung 28 zum Eingang 5 der Brücken-Meßschaltung und ein Abzweig 29 von dieser Leitung zum Eingang 30 einer Phasenumkehrschaltung 31. Deren Ausgang ist über eine Leitung 32 mit dem anderen Eingang 4 der Brücken-Meßschaltung 1 verbunden.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung eines Signal Verstärkers für ein mittels einer Meßbrücke erzeugtes Signal unter Verwendung einer Referenzspannung und eines Sinusspannungsgenerators zur Speisung der Brückenschaltung und wenigstens einer Wechselspannungs-Verstärkerstufe, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Brücken-Meßschaltung (1) von dem Sinusspannungsgenerator (26) zwei Leitungen (28,32) ausgehen, in deren einer (32) eine Phasenumkehrschaltung (31) angeordnet ist, und daß ein Ausgang (44) eines der Brücken-Meßschaltung (1) zugeordneten Temperaturfühlers (43) in den Sinusspannungsgenerator (26) eingespeist ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge (4, 5) der Brücken-Meßschaltung (1) nur an die Leitungen (28, 32) aus dem Sinusspannungsgenerator (26) angeschlossen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens einen Wechselspannungs-Verstärkerstufe (10, 12) eine Integratorschaltung (37) zugeordnet ist, die den Gleichspannungsanteil eliminiert.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratorschaltung (37) an den Ausgang (13) einer letzten Wechselspannungs-Verstärkerstufe (12) angeschlossen ist und der Ausgang der Integratorschaltung (37) zur Kompensierung des Gleichspannungsanteils in diese Verstärkerstufe (12) zurückgespeist wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei direkt gekoppelte Wechselspannungs-Verstärkerstufen (10, 12) vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sinusspannungsgenerator (26) eine Amplitudenregelungsschaltung (24) vorgeschaltet ist, an die der Ausgang (44) eines Temperaturfühlers (43) angeschlossen ist, um die Neigung einer Meßkennlinie der Brücken-Meßschaltung bei Temperaturänderungen konstant zu halten.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (44) des Temperaturfühlers (43) an eine Ausgangsstufe (19) angeschlossen ist, um die Meßkennlinie der Brücken-Meßschaltung bei Temperaturänderungen in dem Nullpunkt eines Meßkoordinatensystems zu halten.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (27) des Sinusspannungsgenerators (26) und einem der wenigstens einen Verstärkerstufe (12) nachgeschalteten phasenempfindlichen Gleichrichter (15) eine Impulsformerschaltung (39) angeordnet ist, die den phasenempfindlichen Gleichrichter (15) im Frequenztakt der Sinusfrequenz vom Sinusspannungsgenerator (26) ansteuert.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Leitungen (28, 32) am Eingang der Brücken-Meßschaltung (1) ein einstellbares Potentiometer (47) angeordnet ist, an welchem eine in eine Verstärkerstufe (12) eingespeiste Spannung abgegriffen wird, um eine Vorlast an der Brücken-Meßschaltung (1) zu kompensieren.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die. Brücken-Meßschaltung (1) ein Kraftaufnehmer an einer Waage ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine einstellbare Rückkopplungsstufe (51) zwischen Ausgang (20) und Amplitudenregelungsschaltung (24) zur multiplikativen Beeinflussung der Kennlinie der Schaltungsanordnung.