DE2839617C2

DE2839617C2 - Meßanordnung

Info

Publication number: DE2839617C2
Application number: DE19782839617
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. 7505 Ettlingen Lotz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: LOTZ, GERHARD, DIPL.-PHYS., 7505 ETTLINGEN, DE
Priority date: 1978-09-12
Filing date: 1978-09-12
Publication date: 1984-11-29
Also published as: DE2839617A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit einem Meßwertgeber, einem mit diesem elektrisch verbundenen und in einem Gehäuse untergebrachten Verstärker, der auf gleichem Temperaturniveau wie der Meßwertgeber gehalten wird, und mit einer Speisespannungsquelle.

Aus der Zeitschrift ATM (Archiv für Technisches Messen), BI. J-135 sind verschiedene Meßanordnungen bekannt, die als Meßwertgeber eine Brückcnschaltung enthalten. In all den Fällen, in denen die Meßwertgeber mit einer Speisespannung versorgt werden und die Meßsignale verstärkt werden müssen, beeinflussen nicht nur die Widerstände der Verbindungsleitungen zwischen der Speisespannungsquelle und dem Meßwertgeber sowie dem Verstärker, sondern auch die Temperaturabhängigkeit der einzelnen Baueinheiten

s das Meßergebnis. In derselben Literaturstelle sind als Beispiel für eine Meßanordnung mit einer Brückenschaltung Wägezellen beschrieben, mit denen Zug- oder Druckkräfte in elektrische Signale umgesetzt werden und bei welchen Dehnungsmeßstreifen in einer BrQkkenschaitung auf einem Meßkörper, der als Sub oder Rohr ausgebildet sein kann, angebracht sind. Derartige Dehnungsmeßstreifenbrücken werden meistens mit Gleichspannung oder -strom gespeist, und sie liefern an ihrem Ausgang eine der zu messenden Kraft proportio-

nale Spannung, sofern ihnen eine hierzu geeignete Form gegeben ist Werden aber als Träger für die Dehnungsmeßstreifen einfache Stab- oder Rohrkörper verwendet, die leicht herzustellen sind, so besteht eine nichtlinearc Abhängigkeit des Ausgangssignals der Dehnungsmeßstreifenbrücke von der Belastung. Diese Nichtlinearität kann mit Hilfe elektrischer Linearisierungsnetzwerke oder durch Verwendung von aufwendigeren Meßkörpern verringert oder beseitigt werden.

Ein weiteres Problem solcher Meßanordnungen kann die gelinge Ausgangsspannung des Meßwertgebers sein. Man verwendet deshalb entweder hochwertige Meßverstärker oder wendet Kompensationsmeßverfahren an. Zur Verhinderung des Einflusses von Störspannungen auf den Meß- und Speiseleitungen kann man die Kabel abschirmen. Sehr störend können die Temperaturfchler sein, die im Meßwertgeber, auf den Kabeln und im Meßverstärker auftreten können. Zur Verminderung dieser Fehler kann man den Temperaturgang des Meßwertgebers kompensieren, man kann Kabel mit großem Querschnitt verwenden und mit eingeprägtem Strom arbeiten, und als Meßverstärker wird man Verstärker mit kleinem Driftverhalten auswählen. Diese Maßnahmen müssen unabhängig voneinander getroffen werden.

In dem deutschen Gebrauchsmuster 71 10214 ist ein Meßgerät beschrieben, dessen Meßwertgeber und Vorverstärker in einem als Thermostat dienenden Gehäuse untergebracht sind, das auf eine Temperatur von 70 bis 80° aufgeheizt ist. Bei diesem Meßgerät wird somit das Problem der Temperaturabhängigkeit der Bauelemente dadurch gelöst, daß die Bauelemente auf konstanter Temperatur gehalten werden. Temperatureinflüsse der Leitungen und der Speisespannungsquelle sind mit dem bekannten Gerät nicht beseitigt

Aus der deutschen Auslegeschrift 24 27 725 ist es ferner bekannt, die wärmeerzeugenden Bauteile eines Meßgerätes an einem Flansch anzubringen, über den die Wärme nach außen abgeführt werden kann. Je nach Belastung oder Änderung der Umgebungstemperatur befinden sich die einzelnen Bauteile des Meßgerätes auf unterschiedlich hohen Temperaturen, so daß für sie ein gesonderter Temperaturabgleich erforderlich ist.

Schließlich ist es aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 50 083 bekannt, das Ausgangssignal einer Meßvorrichtung dadurch zu korrigieren, daß die die Meßgröße beeinflussenden Störgrößen, z. B. die Temperatur, erfaßt und in ein Korrektursignal umgesetzt werden, welches auf das Meßsignal derart einwirkt, daß ein störgrößenkompensiertes Ausgangssignal erhalten

f)5 wird. Abgesehen davon, daß eine solche Anordnung schon zur Erfassung nur einer Störgröße aufwendig ist, muß sie mehrfach vorgesehen werden, wenn die temperaturempfindlichen Bauteile eines Gerätes räumlich ee-

trennt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, mit der die oben geschilderten Probleme hinsichtlich des Einflusses von Störspannungen auf die Verbindungsleitungen zwischen Meßwertgeber, Verstärker und Sp^isespannungsquelle und des Temperaturabgleichs vereinfacht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemä 3 der Meßwertgeber, der Verstärker und die Speisespannungsquelle für den Meßwertgeber und den Verstärker sowie eine für diese drei Baueinheiten gemeinsame Temperaturabgleicheinrichtung wärmeleitend zu einer Baugruppe verbunden. Mit einem solchen Aufbau der Meßanordnung wird nicht nur erreicht, daß der Meßwertgeber, der Verstärker und die Speisespannungsquelle über kurze Leitungen miteinander verbunden sind, so daß der Einfluß von Störspannungen auf diesen Leitungen vermindert ist, sondern daß auch diese Bauteile dieselbe Temperatur haben und nur ein Temperaturabgleich für die ganze Anordnung erforderlich ist.

Besteht der Meßwertgeber aus einem leicht herzustellenden Stab- oder Rohrkörper, auf den die Dehnungsmeßstreifen aufgebracht sind, deren Ausgangssignal daher nichtlinear von der zu messenden Kraft abhängt, so ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die den Meßwertgeber, den Verstärker und die Speisespannungsquelle enthaltende Baueinheit ferner ein elektrisches Linearisierungsnetzwerk umfaßt, mit dem die Nichtlinearität des Meßwertgebers kompensiert wird. Mit einer solchen Anordnung kann auch der Temperaturgang des Linearisierungsnetzwerkes in den Abgleich für die gesamte Anordnung einbezogen werden. Die Verwendung hochwertiger Verstärker ist nicht erforderlich.

Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Mit DMi, DM2, DM3 und DM4 sind vier Dehnungsmeßstreifen bezeichnet, die zusammen mit weiteren Widerständen RG1 und RG 2 sowie Λ72, R 2 und RT3, A3 eine Wheatstonsche Brücke bilden. Die Dehnungsmeßstreifen DM1 und DAi 4 sollen beispielsweise auf Zug, die Meßstreifen DM2 und DM3 auf Druck beansprucht werden.

Die Dehnungsmeßstreifenbrücke wird über Widerstände RTi und R1 aus einer geregelten Gleichspannungsquelle gespeist. Eine ungeregelte Gleichspannung Ue ist über eine EiUkopplungsdiode D 3 auf den Kollektor eines Transistors T1 geführt, der von einem Verstärker Vi gesteuert ist. Dieser vergleicht die am Abgriff eines Spannungsteilers mit den Widerständen R 4 und R 5 auftretende Istspannung mit der mittels einer Zenerdiode Z erzeugten Referenzspannung und steuert den Transistor Tl im Sinne einer Stabilisierung der am Spannungsteiler R 4, R 5 liegenden Spannung gegen Belastungsänderungen und Änderungen der Eingangsspannung Ue- Mit Hilfe der temperaturabhängigen Widerstände RT2 oder RT3 wird der Nullpuiikt-Temperaturfehler der Brückenschaltung kompensiert. Der Temperaturgang des Kennwertes für die Meßanordnung wird mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstandes RTi abgeglichen, zu dem ein Widerstand R 1 in Reihe geschaltet ist und dem über Klemmen K 1, K 2 ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet werden kann.

Die Diagonalspannung der Brückenschaltung, das ist die Meßspannung, ist den beiden Eingängen eines Verstärkers V2 zugeführt, an dei> eine Ausgangsstufe mit zwei Transistoren T2. T3 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 73 ist über eine nicht bezeichnete Widerstandskondensator-Kombination mit dem Kollektor des Transistors 72 verbunden. Der KoUektorstrom des Transistors Γ3 ist im wesentlichen über einen Widerstand AL und den Widerstand RG1 geführt Diese beiden Widerstände bilden ein Gegenkopplungsnetzwerk; der Spannungsabfall am Widerstand RG1 kompensiert die in der Brückendiagonale auftretende Meßspannung, so daß der Transistor T3 einen der Meßspannung proportionalen Strom liefert Dieser Strom fließt über einen Strommeßwiderstand RM, der außerhalb der Baueinheit angeordnet ist. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand ist proportional zur Meßspannung.
In der Regel ist die Meßspannung nicht streng proportional zu der zu messenden Last Aus diesem Grunde ist da« linearen Verstärker mit dem Verstärker V2 sowie den Transistoren 72 und 73 ein Linearisierungsnetzwerk mit Transistoren 74, 75 nachgeschaltet Jeder dieser Transistoren liegt über einen Emitter-Widerstand RI1 bzw. RI2 am Abgriff eines Spannungsteilers RVi, REi bzw. RV2, REZ Mit dem jeweiligen Spannungsteilerverhältnis lassen sich die Basis-/Emitterspannungen der Transistoren 74, 75 einstellen, bei welchen die Transistoren 74, 75 beginnen, Strom zu führen. Die Stärke dieser Ströme ist durch die Widerstände RIi, RI2 bestimmt Diese Ströme werden auf einen Summierpunkt S geführt und dem Emitterstrom des Transistors 73 überlagert, so daß durch den Meßwiderstand RM ein Strom fließt, der mit der an der Brückendiagonale auftretenden Meßspannung in einem nichtlinearen Zusammenhang steht. Diese Nichtlinearität kann durch geeignete Bemessung der Widerstände RVi, RV2, RIi, RI2, REi, RE2 so bemessen werden, daß die Nichtlinearität des Meßwertgebers kompensiert ist. Zur Verbesserung der Kompensation kann das Linearisierungsnetzwerk erweitert werden, indem weitere Transistoren vorgesehen sind, die entsprechend den Transistoren 74, 75 beschaltet sind.
Zwei Dioden D1, D 2 dienen zur Erzeugung der negativen Betriebsspannung der Verstärker V2.

In der beschriebenen Anordnung sind die Leitungen so kurz, daß ihr Widerstand und insbesondere ihre Widerstandsänderungen keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben. Etwaige Temperaturfehler der Speisespannung der Dehnungsmeßstreifenbrücke, die durch den Temperaturgang der Zenerdiode Z, der Spannungsteilerwiderstände R 4, R 5 und der Parameter des Verstärkers V1 bedingt sind, werden bei dem für die Meßanordnung ohnehin erforderlichen Temperaturabgleich

so des Kennwertes mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstandes RTX gemeinsam abgeglichen, d.h. es ist kein zusätzlicher Arbeitsgang hierfür erforderlich. Störende Thermospannungen treten nicht auf.
Gleiches gilt für den Verstärker V2 und die an ihn angeschlossene Ausgangsstufe mit den Transistoren 72, 73. Bei der Kompensation des Nullpunkt-Temperaturfehlers der Brückenschaltung mit Hilfe der temperaturabhängigen Widerstände RT2 oder Ä73 wird auch ein Rcstfehler des Verstärkers V2 und der angebt) schlossenen Ausgangsstufe in einem Arbeitsgang abgeglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßanordnung mit einem Meßwertgeber, einem mit diesem elektrisch verbundenen und in einem Gehäuse untergebrachten Verstärker, der auf gleichem Temperaturniveau wie der Meßwertgeber gehalten wird, und mit einer Speisespannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (DM 1. DMX DM3, DMA), der Verstärker (VX TX 73) und die Speisespannungsquellc (Z, VX, 71) für den Meßwertgeber und den Verstärker sowie eine für diese drei Baueinheiten gemeinsame Temperaturabgleicheinrichtung wärmeleitend zu einer Baugruppe verbunden sind.

X Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber eine Brückenschaltung ?us Dehnungsmeßstreifen (DMX, DMX DM 3. OM 4) ist und daß in die Stromzuleitung zur BrOckenschaltung (DMX, DMX DMX DMA) ein temperaturabhängiger Widerstand (RTl) geschaltet ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Temperaturabgleich dem temperaturabhängigen Widerstand (RTX) ein ohmscher Widerstand parallel schaltbar ist.

4. Meßanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Zweig (DM X, DMl) der Brückenschaltung ein Widerstand (RG X) geschaltet ist, der vom Ausgangsstrom des Verstärkers (VX TX T3)durchflossen ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die beiden Teilzweige (DM 2, DMA) eines Zweiges der Brückenschaltung jeweils ein temperaturabhängiger Widerstand (RTX Ä73) zur Kompensation des Nullpunkt-Temperaturfehlers der Brückenschaltung geschaltet ist.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einem linearen Verstärker (V2, 72, 73) ein Linearisierungsnetzwerk zugeschaltet ist, das aus mehreren Transistoren (TA, 75) besteht, deren erster Steuerelektrode eine von der Brückenausgangsspannung abgeleitete Spannung zugeführt ist, und deren zweiter Steuerelektrode über einen Widerstand (77/1, Rl 2) an die Abgriffe von zwischen einer Konstantspannung liegenden Spannungsteilern (RVX, REX; RV2. RE2) angeschlossen sind, und deren Kollektorströme zusammen mit dem Ausgangsstrom des linearen Verstärkers (VX 72, 73) auf einen Summierpunkt (S) geführt sind, von dem der Ausgangsstrom der Meßanordnung abnehmbar ist.