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Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung des Diagonalsignals
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einer Widerstandsbrücke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung
des Diagonalsignals einer WJderstandsbrücke, bei dem periodisch das Diagonalsignal
über eine vorgebbare Zeit auf integriert wird und die zur anschließenden Abintegration
benötigte Zeit ermittelt wird und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete
Schaltung.
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Dieses Verfahren, bei dem eine konstante Referenzspannung zur Abintegration
verwendet wird, ist allgemeiner Stand der Technik und unter der Bezeichnung Dual-slope
bekannt. Wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß ein Fehler der Referenzspannung
voll in das Meßergebnis eingeht, die Referenzspannung also hochkonstant sein muß,d.h.
invariant gegenüber Alterungsprozessen, gegenüber Änderungen der Betriebstemperatur
usw.. Bei Widerstandsbrücken muß weiterhin die Speisespannung, zu der das Signal
der Widerstandsbrücke proportional ist, ebenfalls hochstabil sein. Weiterhin sind
die Signale der Brückendiagonale sehr klein, sie müssen also vorverstärkt werden.
Dabei müssen die Vorverstärker selbstverständlich wieder über einen weiten Betriebstemperaturbereich
kompensiert sein.
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Weiterhin ist aus der GB-PS 1 471 905 eine Schaltung bekannt, bei
der das Diagonalsignal einer Widerstandsbrücke aus Dehnungsmeßstreifen einer Auswerteeinrichtung
zum Digitalisieren des Signals zugeführt ist. Mindestens einem Widerstand ist über
Schalter ein weiterer Widerstand parallel schaltbar.
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Diese Schaltungsanordnung dient zur Untersuchung der Auswerteschaltung
auf Fehler. Der weitere Widerstand ist dabei so dimensioniert, daß sich das Brückensignal
beispielsweise um 40 % ändert, jedoch seine Polarität beibehält. Während des Wiegevorganges
sind die Schalter geöffnet. Nur wenn die Auswerteschaltung auf Fehler untersucht
werden soll, wird der
Schalter geschlossen. Dadurch wird das eigentliche
Meßsignal um beispielsweise 40 % verändert. Falls diese Veränderung mit der durch
die Verstimmung der Brücke mit dem weiteren Widerstand vorgegebenen Veränderung
übereinstimmt, ist die Auswerteschaltung fehlerfrei. Ein versehentliches Schließen
des Schalters während des Meßvorganges würde also beispielsweise ein Meßfehler von
40 % verursachen und damit die Messung unbrauchbar machen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Schaltung zu entwickeln, mit dem das Diagonalsignal einer
Widerstandsbrücke auch bei nichtstabilisierter Speisespannung mit äußerst geringem
Schaltfwand sehr exakt ermittelt werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß nach der Aufintegration einem der Brückenwiderstände ein weiterer
Widerstand parallel geschaltet wird, dessen Wert so gewählt ist, daß sich dE Polarität
des Diagonalsignals ändert und daß dieses Diagonalsignal veränderter Polarität zur
Abintegration verwendet wird.
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Eine Unteraufgabe der Erfindung ist es, das Diagonalsignal der Dehnungsmeßstreifenbrücke
einer Kraftmeßzelle bereits in der Kraftmeßzelle zu digitalisieren. Zur Lösung dieser
Unteraufgabe ist die oben genannte erfindungsgemäße Lösung dann geeignet, wenn die
ermittelte Abintegrationszeit digitalisiert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Schaltung mit einer
Widerstandsbrücke, bei der zumindest einem Widerstand über Schalter ein weiterer
Widerstand parallel schaltbar ist, wobei die Brückendiagonale mit einer digitalisierenden
Auswerteschaltung verbunden ist besonders günstig durchgeführt werden, wenn die
Brückendiagonale mit einem Integrator verbunden ist, dessen Ausgangssignal einem
Nullkomparator zugeführt ist. Wenn der Schalter vom Ausgangssignal des Nullkomparators
steuerbar ist, können die einzelnen Meßzyklen unmittelbar ohne Pause aufeinander
folgen. Zur Durchführung des
Verfahrens, das die Unteraufgabe löst,
ist eine Schaltung besonders geeignet, bei der die Brückenwiderstände DehPungsmeßstreifen
sind, der weitere Widerstand sich in der Umgebung der Dehnungsmeßstreifen befindet
und aus einem dem Material der Dehnungsmeßstreifen entsprechenden Material hergestellt
ist, da dann die Dehnungsmeßstreifen und der weitere Widerstand die gleichen Umweltbedingungen
sehen und auf gleiche Umweltbedingungen gleich reagieren. Mit dieser Schaltung sind
also alle auf die Kraftmeßzelle wirkende Umwelteinflüsse automatisch kompensiert,
da sich die Änderungen der Parameter des Integrators und Komparators infolge der
Änderung der Umwelteinflüsse beim Aufintegrieren und beim Abintegrieren kompensieren.
Damit ist es bei denkbar geringem Schaltungsaufwand möglich geworden, das Brückensignal
ever Dehnungsmeßstreifenbrücke "vor Ort" zu digitalisieren und damit als Digitalsignal
zu übertragen, das erfahrungsgemäß gegen Übertragungsfehler unempfindlich ist. Darüberhinaus
hat sich gezeigt, daß die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens bereits bei
Bestückung mit ganz einfachen Bauteilen eine ganz erstaunlich-hohe Genauigkeit besitzt.
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Anhand der in der Figur gezeigten schematischen Schaltung wird die
Erfindung verdeutlicht.
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Eine Brücke aus Widerständen 1 bis 4, von denen einer oder mehrere
veränderlich sind, wird durch eine zwischen den Klemmen 5 und 6 angelegte Spannung
gespeist. Sind die Widerstände 1 bis 4 nicht vollkommen identisch, so ist die Brücke
verstimmt, d.h. über der Brückendiagonalen zwischen den Punkten 8 und 9 steht eine
Spannung an, bzw. es fließt ein Strom bei Verbindung der Punkte 8 und 9. Die Punkte
8 und 9 der Brückendiagonale sind mit den Eingängen eines Verstärkers 10 verbunden,
dem ein Kondensator 11 parallel geschaltet ist.
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Diese Anordnung wirkt in bekannter Weise als Integrator.
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Dabei ist die am Ausgang des Verstärkers 10 anstehende Spannung proportional
dem zwischen den Punkten 8 und 9 fließenden Strom und der Integrationszeit. Dem
Widerstand 4 ist ein weiterer Widerstand 12 durch einen Schalter 13 parallel
schaltbar,
der zweckmäßigerweise ein Feldeffekttransistor ist.
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Der Widerstandswert des Widerstandes 12 ist dabei so zu wählen, daß
bei Parallelschalten des Widerstandes 12 die Verstimmung der Brücke entgegengesetzt
größer ist, als die maximal mögliche Verstimmung durch Änderung der Widerstände
1 bis 4. Die Polarität der zwischen den Punkten 8 und 9 anstehenden Spannung wird
also bei Parallelschalten des Widerstandes 12 geändert. Handelt es sich bei der
Widerstandsbrücke um eine Dehnmeßstreifenbrücke, bei der die Werte der Widerstände
1 bis 4 im Kiloohm-Bereich liegen, so liegt der Wert des weiteren Widerstandes 12
im Megohm-Bereich. Der Ausgang des Verstärkers 10 und der Punkt 8 der Brückendiagonale
sind mit einem Nullkomparator 16 verbunden, der wiederum eine Logikschaltung 14
steuert, die zwischen dem frequenzkonstanten Impulsgeber 15 und der Klemme 7 liegt.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende. Zu Beginn der Messung
ist der Schalter 13 geöffnet, der zwischen den Punkten 8 und 9 der Brückendiagonale
fließende Strom wird von dem aus Verstärker 10 und Kondensator 11 gebildeten Integrator
während einer vorgegebenen Zeit integriert. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Schalter
13 geschlossen, der Widerstand 12 wird zum Widerstand 4 parallel geschaltet. Außerdem
wird die Logikschaltung 14 angesteuert, die öffnet, sodaß an der Klemme 7 Impulse
anstehen, die gezählt werden. Wie oben ausgeführt, ist der Wert des Widerstandes
12 so gewählt, daß die Polarität der an der Brückendiagonale, also zwischen den
Punkten 8 und 9, anstehenden Spannung geändert wird.
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Damit ändert auch der Strom zwischen den Punkten 8 und 9 die Richtung,
die am Ausgang des Verstärkers 10 anstehende Spannung wird "abintegriert", mit anderen
Worten sie wird kleiner. Beim Nulldurchgang gibt der Nullkomparator 16 ein Signal
ab, das die seit dem Schließen des Schalters 13 geöffnete Logikschaltung 14 schließt
und andererseits den Schalter 13 wieder öffnet. Mit dem Öffnen des Schalters 13
beginnt sofort wieder ein neuer Meßzyklus. Während der Schalter 13 geschlossen ist,
also während des Abintegrierens, stehen an der Klemme 7 die Impulse des Impulsgebers
15 an, deren Zahl
also der Zeit des Abintegrierens entspricht. Da
die Zeit des Aufintegrierens vorgegeben ist, ist der Zeitraum des Abintegrierens
von dem Unterschied der Brückenverstimmungen abhängig und nicht von der Größe der
zwischen den Klemmen 5 und 6 angelegten Spannung, wobei vorausgesetzt wird, daß
diese Spannung während eines Meßzyklus als konstant angesehen werden kann.
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Die Schaltung ist damit gegen langsame Schwankungen der Speisespannung
unempfindlich. Ein Absinken der Speisespannung auf weniger als die Hälfte des Sollwertes
ergibt beispielsweise keine Veränderung des digitalen Signals. Da nicht Spannungen
oder Ströme gemessen werden sondern direkt zwei Brückenverstimmungen miteinander
verglichen werden, die unterschiedliches Vorzeichen haben, entfällt eine Referenzspannungsquelle
und damit deren zahlreiche Nachteile, insbesondere deren Temperaturabhängigkeit.
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Das Ausführungsbeispiel erfaßt eine Widerstandsbrücke, deren Verstimmung
lediglich in eine Richtung möglich ist, wie es beispielsweise bei einer Kraftmeßzelle
lediglich für Druckbelastung gegeben ist. Besteht die Möglichkeit, daß die Brücke
in beide Richtungen verstimrnt wird, beispielsweise also bei einer auf Zug und Druck
belastbaren Kraftmeßzelle, so wird über einen weiteren Schalter und einen weiteren
Widerstand, die in der Figur nicht dargestellt sind, eine Verstimmung der Brücke
auch durch eine Parallelschaltung zum Widerstand 3 vorgesehen. Welch Schalter zur
Abintegration dann geschlossen werden muß, läßt sich aus der während der Aufintegration
anliegenden Polarität der Diagonalspannung der Brücke ermitteln.
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Wird die Schaltung für Kraftmeßzellen verwendet, so empfiehlt es sich,
den weiteren Widerstand 12 aus einem dem Material der Widerstände 1 bis 4 gleichartigen
Material herzustellen und den Widerstand 12 in unmittelbarer Nähe der Widerstände
1 bis 4 anzubringen. Eventuelle Umwelteinflüsse sind damit automatisch ausgeglichen,
da die Brückenwiderstände und der Widerstand 12 den gleichen Umwelteinflüssen unterliegen
und damit gleiche Abweichungen zeigen. Eventuelle Fehler des aus Verstärker
10
und Kondensator 11 bestehenden Integrators werden dadurch ausgeglichen, daß diese
Fehler sich bei Aufintegration und Abintegration kompensieren. Die gesamte Anordnung
wie sie in der Figur dargestellt ist kann beispielsweise in einer Kraftmeßzelle
untergebracht werden. Das einzig stabilisierte Bauteil muß dabei der Impulsgeber
15 sein, der sich in fast idealer Form durch einen Schwingquarz realisieren läßt.
Damit steht an der Ausgangsklemme 7 der Kraftmeßdose ein digitales Signal an, das
der Brückenverstimmung entspricht und das erfahrungsgemäß bei der Übertragung durch
mögliche Übertragungsfehler erheblich geringer beeinflußt wird, als ein analoges
Signal. Der praktische Aufbau der Schaltung hat gezeigt, daß bereits mit ganz einfachen
Schaltelementen eine erstaunliche Genauigkeit erreicht werden kann.
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Bei Waagen die nur positive Gewichte messen ist Schalter 13 nur zu
einer Versorgungsspannung nötig. Die Größe von Widerstand 12 ist dabai so zu dimensionieren,
daß bei maximaler die Verstimmung durch maximale Last gerade eine Abintegration
mit der gleichen Geschwindigkeit erreicht wird.