DE2855482B2 - Verfahren zur Auswertung des Diagonalsignals einer Widerstandsbrücke und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung des Diagonalsignals einer Widerstandsbrücke, bei dem periodisch das Diagonalsignal über eine vorgebbare Zeit aufintegriert wird und die zur anschließenden Abintegration benötigte Zeit ermittelt wird und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schaltung.

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.

Weiterhin ist aus der GB-PS 14 71 905 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. 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.

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 Schaltungsaufwand sehr exakt ermittelt werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß nach der AuFintegration einem der Brückenwiderstände ein weiterer Widerstand parallel geschaltet wird, dessen Wert so gewählt ist, daß sich die Polarität das Diagonalsignals ändert und daß dieses Diagonalsignal veränderter Polarität zur Abintegration verwendet wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemä-

jo ßen Verfahrens besteht darin, daß die ermittelte Abintegrationszeit digitalisiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Diagonalsignal einer Dehnungsmeßstreifenbrücke einer Kraftmeßzelle bereits in der Kraftmeßzelle zu digitalisieren.

Hinsichtlich der Schaltung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest einem Widerstand der Brücke über Schalter ein weiterer Widerstand parallel geschaltet wird und daß die Brückendiagonale mit einer digitalisierten Auswerteschaltung verbunden ist, die einen Integrator enthält, dessen Ausgangssignal einem Nuükomparator zugeführt ist.

Wenn der Schalter, wie in einer vorteilhaften Ausgestaltung angegeben, vom Ausgangssignal des Nullkomparators steuerbar ist, können die einzelnen Meßzyklen unmittelbar ohne Pause aufeinanderfolgen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der die Brückenwiderstände Dehnungsmeßstreifen sind, besteht darin, daß der weitere Widerstand sich in der Umgebung der Dehnungsmeßstreifen befindet und aus einem dem Material der Dehnungsmeßstreifen entsprechenden Material hergestellt ist. Dadurch wird erreicht, daß 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 einer Dehnungsmeßstreifenbrücke »vor Ort« zu digitalisieren und damit als Digitalsignal zu übertragen, das erfahrungsgemäß gegen Übertragungsfehler unempfindlich ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens bereits bei

Bestückung mit ganz einfachen Bauteilen eine ganz erstaunlich hohe Genauigkeit besitzt.

Anhand der in der Figur gezeigten schematischen Schaltung wird die Erfindung verdeutlicht

Eine Brücke aus Widerständen 1 bis 4, von denen -, einer oder mehrere veränderliche 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 ι ο 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 Diese Anordnung wirkt in bekannter Weise als Integrator. Dabei ist die am Ausgang des Verstärkers 10 anstehende Spannung proportional dem zwischen den Punkten 8 und 9 fließenden Strom und der Integrationsjeit Dem Widerstand 4 ist ein weiterer Widerstand 12 durch einen Schalter 13 parallel schaltbar, der zweckmäßigerweise ein Feldeffekttransistor ist 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 Punkter 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.

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 geschaliet. Außerdem wird die Logikschaltung 14 angesteuert, die öffnet, so daß 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. Damit ändert auch der Strom zwischen den Punkten 8 mid 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 6» 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 ^;st, ist der Zeitraum des Abintegrierens von dem Unterschied der Brückenverstimmungen abhängig und nicht von der Größe des zwischen den Klemmen 5 und 6 angelegten Spannung, wobei vorausgesetzt wird, daß diese Spannung während eines Meßzyklus als konstant angesehen werden kann. Die Schaltung ist damit gegen langsame Schwankungen der Speisespannung unempfindlich. Ein Absinken der Speisespannung auf weniger als die Hälfte des Soliwertes 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.

Das Ausführungsbeispiel erfaßt eine Widerstandsbrücke, deren Verstimmung lediglich in eine Richtung möglich ist, wie es beispielsweise bei einer Kraftmeßzeile lediglich für Druckbelastung gegeben ist Besteht die Möglichkeit, daß die Brücke in beide Richtungen verstimmt 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. Welcher Schalter zur Abintegration dann geschlossen werden muß, läßt sich aus der während der Aufintegration anliegenden Polarität der Diagonal spannung der Brücke ermitteln.

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.

Bei Waagen, die nur positive Gewichie'messen, ist Schalter 13 nur zu einer Versorgungsspannung nötig. Die Größe von Widerstand 12 ist dabei so zu dimensionieren, daß bei maximaler Verstimmung durch die maximale Last gerade eine Abintegration mit der gleichen Geschwindigkeit erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Auswertung des Diagonalsignals einer Widerstandsbrücke, bei dem periodisch das Diagonalsignal über eine vorgebbare Zeit aufintegriert wird und die zur anschließenden Abintegration benötigte Zeit ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Aufintegration einem der Brückenwiderstände ein weiterer Widerstand parallel geschaltet wird, dessen Wert so gewählt ist, daß sich die Polarität des Diagonalsigna's ändert und daß dieses Diagonalsignal veränderter Polarität zur Abintegration verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Abintegrationszeit digitalisiert wird.

J. Schaltung mit einer Widerstandsbrücke zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem Widerstand der Brücke über Schalter (13) ein weiterer Widerstand (12) parallel geschaltet wird und daß die Brückendiagonale mit einer digitalisierenden Auswerteschaltung verbunden ist, die einen Integrator (10 und 11) enthält, dessen Ausgangssignal einem Nullkomparator(16) zugeführt ist

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (13) vom Ausgangssignal des Nullkomparators (16) steuerbar ist

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Brückenwiderstände Dehnungsmeßstreifen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Widerstand (12) sich in der Umgebung der Dehnungsmeßstreifen befindet und aus einem dem Material der Dehnungsmeßstreifen entsprechenden Material hergestellt ist.