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Schaltungsanordnung für den Nullabgleich von
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Meßbrücken Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den
Nullabgleich von Meßbrücken in Halb-und Vollbrückenschaltungtbei der eine Speisespannung
auf zwei Brückeneckpunkte angelegt ist und eine Meßspannung an den zwei anderen
Brückeneckpunkten abgegriffen und einer Meß- und Anzeigevorrichtung zugeführt wird
und mit einem mit der Speisespannung beaufschlagten einstellbaren Spannungsteiler,
dessen Ausgangsspannung vorzeichen- und phasenrichtig der Meßspannung überlagert
wird.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist in einer Bedienungsanleitung
für einen Trägerfrequenzmeßverstärker Typ MBS 5201/02 der gleichen Anmelderin beschrieben.
Bei der Schaltungsanordnung erfolgt der Nullabgleich dadurch, daß die Speisespannung
der Meßbrücke auf einen induktiven Teiler gegeben wird, dessen einstellbare Ausgangsspannung
als Abgleichspannung
an einen Eingangsübertrager angelegt ist,
der außerdem mit der Meßspannung der Meßbrücke beaufschlagt ist. Die Abgleichspannung
und die Meßspannung sind so an die Primärwicklung des Eingangsübertragers angelegt,
daß eine Differenzbildung dieser beiden Spannungen erreicht wird, so daß die Abgleichspannung
bei unbelasteter Meßbrücke den Nullabgleich bewirkt. Die-Sekundärwicklung des Eingangsübertragers
ist mit einem Eingangsverstärker verbunden, der bei dem beschriebenen Gerät aus
einem operativen Bandpaßverstärker, einem operativen Demodulator mit Filter und
einem Leistungsverstärker besteht.
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Das bekannte Gerät ist nur für Wechselspannungen geeignet, da Übertrager
bzw. induktive Teiler nur bei mit einer Trägerfrequenz beaufschlagten Meßbrücke
einsetzbar sind,nicht jedoch bei einer mit einer Gleichspannung beaufschlagten Meßbrücke.
Übertrager bzw. induktive Teiler sind ferner verhältnismäßig teure Bauteile, die
bei der geforderten Genauigkeit einen hohen Fertigungsaufwand erfordern. Hinzu kommt,
daß Übertrager bzw. induktive Teiler nur einen begrenzten Eingangswiderstand aufweisen
können, so daß bei einer Meßbrücke mit Dehnungsmeßstreifen diese hoch belastet sind,
was zu einer Verringerung der Empfindlichkeit führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
für den Nullabgleich von Meßbrücken zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, dabei
jedoch eine hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit zu erreichen gestattet.
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Prinzipiell soll diese Schaltungsanordnung sowohl für Trägerfrequenzmeßverstärker
als auch für Gleichspannungsmeßverstärker geeignet sein, gegebenenfalls unter Austausch
eines Ubertragers bzw. induktiven Teilers gegen einen Ohmschen Spannungsteiler.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird wenigstens der
bei dem bekannten Trägerfrequenzmeßverstärker notwendige. Eingangsübertrager eingespart,
wodurch sich die
Schaltung verbilligt. Weiterhin ergibt sich hieraus,
daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowohl für einen Trägerfrequenzmeßverstärker
als auch für einen Gleichspannungsmeßverstärker geeignet ist. Da die Meßspannung
unmittelbar auf die Eingänge eines Eingangsverstärkers gelegt ist und dieser Eingangsverstärker
sehr hochohmig ausgelegt werden kann, ist eine geringe Belastung der Dehnungsmeßstreifen
der Meßbrücke und eine besonders hohe Empfindlichkeit gewährleistet. Die durch den
Spannungsteiler erzeugte Abgleichspannung wird auf von den Eingängen für die Meßspannung
unabhängige Eingänge des Eingangsverstärkers geleitet, so daß durch den Nullabgleich
keine Rückwirkung auf die Meßbrücke erfolgt. Ebenso hat der Verstärkungsfaktor -des
Eingangsverstärkers nur einen geringen Einfluß auf den Nullpunkt, wodurch es möglich
ist, den Verstärkungsfaktor zu vergrößern. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ist darin zu sehen, daß es auf einfache Weise möglich ist, das
Verstärkungs- Verhältnis der Abgleichspannung zur Meßspannung umzuschalten, wodurch
eine Anpassung an die Art der verwendeten Meßgl.ieder-in der Meßbrücke möglich ist
Da nämlich bei einer aus Dehnungsmeßstreifen bestehenden Meßbrücke nur ein kleiner
Abgleichbereich, jedoch eine hohe Verstärkung der Meßspannung erforderlich ist und
andererseits bei Messungen mit induktiven Meßwertaufnehmern wegen der viel höheren
erzeugten, effektiven Spannung ein großer Abgleichbereich mit einer geringen Verstärkung
für die Meßspannung erforderlich ist, kann auf diese Weise eine einfache Anpassung
an unterschiedliche Arten von Meßwertaufnehmern durchgeführt werden. Diese Schaltungsanordnung,
die eine Anpassung an unterschiedliche Arten von Meßwertaufnehmern zu erreichen
gestattet, erlaubt es außerdem, jeder Stufe des Spannungsteilers einen bestimmten
Bruchteil der Dehnung der Dehnungsmeßstreifen bzw. entsprechend einen bestimmten
Bruchteil der Veränderung eines induktiven Meßwertaufnehmers zuzuordnen, so daß
es hierdurch möglich ist, die Meßanlage vor der Belastung zu eichen. Hieizu ist
es nur erforderlich, zunächst den Nullabgleich durch entsprechende Einstellung des
Spannungsteilers durchzuführen
und dann anschließend, von diesem
Nullpunkt ausgehend, die durch den Spannungsteiler an den Eingangsverstärker angelegte
Spannung stufenweise zu erhöhen und die Anzeigewerte in einer Eichkurve aufzutragen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden, anhand dreier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
gegebenen Beschreibung und es zeigen Figur 1 ein schematisches, im wesentlichen
als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß einer ersten Ausführungsform, Figur 2 ein schematisches Schaltungsbild gemäß
einer zweiten Ausführungsform und Figur 3 ein Detail des Schaltbildes gemäß Figur
2 mit einer anderen Ausführungsform eines Verstärkers.
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Eine Meßbrücke 2, die im dargestellten Beispiel aus vier Dehnungsmeßstreifen
3 zusammengesetzt ist, ist mit ihren Brückeneckpunkten A-D mit einer Speisespannung
Usp beaufschlagt. Die Brückeneckpunkte B, C sind mit den Eingängen E.1, E.2 eines
Eingangsverstärkers lo verbunden.Ein Spannungsteiler 4, der im dargestellten Beispiel
als Ubertrager mit einer Primärwicklung 6 und einer Sekundärwicklung 8 ausgeführt
ist, ist ebenfalls mit den Brückeneckpunkten A, D verbunden und somit ebenfalls
mit der Speisespannung USP beaufschlagt. Die Sekundärwicklung 8 des Ubertragers
ist mit regelmäßig gestuften Anzapfungen 9 versehen, welche eine Ausgangsspannung
UA abzugreifen gestatten, welche als Abgleichspannung an die Eingänge E.3, E.4 des
Eingangsverstärkers 10 gelegt ist.Der Eingangsverstärker 10 ist so ausgebildet,
daß sich die über die Eingänge E.1, E.2 bewirkten Verstärkungen und die über die
Eingänge E. 3, E.4 bewirkten
Verstärkungen entgegengesetzt addieren,
was entweder durch eine gegensätzliche Polung der jeweils an die Eingänge E.1, E.2
angelegten Meßspannung UM und der an die Eingänge E.3, E.4 angelegten Ausgangsspannung
UA erreicht wird oder aber durch invertierende Eingänge E.3, E.4. Der Eingangsverstärker
10 weist Ausgänge F, G auf, an der eine Ausgangsspannung UAM erscheint, welche in
der üblichen Weise einem Anzeige- oder Registriergerät zugeführt wird.
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Wie schon erwähnt, ist bei der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung
der Spannungsteiler 4 als Übertrager ausgebildet. In diesem Fall muß die angelegte
Speisespannung USP eine Wechselspannung sein. Bei Verwendung einer Gleichspannung
als Speisespannung wird dieser Übertrager gegen einen Ohmschen Spannungsteiler ausgetauscht,
der in analoger Weise mit Anzapfungen versehen ist und eine gestufte Ausgangs spannung
UA als Abgleichspannung ab zugreifen gestattet Der Eingangsverstärker 10 ist gleichermaßen,
als Verstärker für Gleichspannungen und Wechselspannungen geeignet und braucht daher
nicht ausgetauscht zu werden. Zu bemerken ist noch, daß ein Ohmscher Spannungsteiler,
wenn er ohne eigene Induktivität ausgeführt ist, auch als Spannungsteiler für Wechselspannungen
brauchbar ist, so daß eine mit einem Ohmschen Spannungsteiler ausgerüstete, erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung sowohl für Gleichspannungen als auch für Wechselspannungen geeignet
ist, jedoch gegenüber einer Schaltungsanordnung mit einem Ubertrager eine etwas
größere Leistungsaufnahme aufweist.
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In Figur 2 sind Einzelheiten der Schaltelemente im Eingangsverstärker
10 dargestellt. Der Eingangsverstärker 10 weist zwei Operationsverstärker 12, 14
mit je zwei Eingängen und einem Ausgang auf.Jeweils ein Eingang der Operationsverstärker
12, 14 bildet den Eingang E.1 bzw. E.2 des Eingangsverstärkers 10, die mit den Brückeneckpunkten
B, C der-Meßbrücke 2 verbunden sind. Die anderen Eingänge der Operationsverstärker
12, 14 sind über, einen Widerstand R.1 bzw.
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R.5 mit den jeweiligen Ausgängen der Operationsverstärker
12,
14 verbunden, welche gleichzeitig die Ausgänge F, G des Eingangsverstärkers 10 bilden.
Diese letzterwähnten Eingänge der Operationsverstärker 12, 14 sind über Widerstände
R.2, R.4 mit den weiteren Eingängen E.3, E.4 des Eingangsverstärkers 10 verbunden,
welche.mit der an den Anzapfungen 9 abgegriffenen Ausgangsspannung UA des Spannungsteilers
4 beaufschlagt sind. Der Spannungsteiler 4 ist im vorliegenden Beispiel als induktiver
Teiler 16 ausgebildet, kann jedoch auch aus einem Ohmschen Spannungsteiler bestehen.
Der Spannungsteiler 4 ist mit den Brückeneckpunkten A, D verbunden und wird somit
mit der Speisespannung USP beaufschlagt.
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Zwischen die Verbindungspunkte der Widerstände R.1, R.2 sowie der
Widerstände R.4, R.5 ist ein Schalter 17 in Serie mit einem Widerstand R.3 gelegt.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung bewirkt, daß die Ausgangsspannung
UA als Abgleichspannung auf die einen Eingänge der Operationsverstärker 12, 14 gelangt,
während die Meßspannung UM auf die anderen Eingänge der Operationsverstärker 12,
14 gelangt. Die Widerstände R.1,R.2,R.4,R.5 sind so dimensioniert,daß das Verhältnis
des Verstärkungsfaktors für die an diese Eingänge der Operationsverstärker 12, 14
angelegte Abgleichspannung zum Verstärkungsfaktor für die Meßspannung UM einen vorbestimmten
Wert erreicht, so daß jeder Stufe des Spannungsteilers 4 ein bestimmter Bruchteil
der Dehnung bzw. Veränderung der Dehnungsmeßstreifen 3 bzw. anderer verwendeter
Meßwertaufnehmer entspricht. Die Schaltungsanordnung kann somit außer für den Nullabgleich
zusätzlich zum Eichen der Meßbrücke verwendet werden.
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Da bei der Verwendung von Dehnungsmeßstreifen in der Meßbrücke 2 der
erforderliche Nullabgleich betragsmäßig nur eine geringe Größe erreicht, jedoch
.eine hohe Verstärkung der Meßspannung UM erforderlich ist, während andererseits
bei Verwendung von induktiven Meßwertaufnehmern in der Meßbrücke 2 eine hohe, effektive
Spannung erzeugt
wird, so daß ein großer Abgleichbereich benötigt
wird, jedoch nur eine geringe Verstärkung der Meßspannung UM' ist eine Umschaltmöglichkeit
für den Verstärkungsfaktor der Ausgangsspannung UA des Spannungsteilers 4 in Form
des Widerstandes R.3 und des Schalters 17 vorgesehen. Dieser Verstärkungsfaktor
kann durch Betätigen des Schalters 17 um einen definierten Faktor, vorzugsweise
6,4 und 10, verändert werden.
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Die Operationsverstärker 12, 14 im Eingangsverstärker 10 können, wie
in Figur 3 für den Operationsverstärker 12 dargestellt, durch einen Transistor 18
mit nachgeschaltetem Verstärker 20 ersetzt werden.' Die Basis des Transistors 18
ist hierbei mit dem Eingang E.1 des Eingangsverstärkers 10 verbunden, der Emitter
ist mit dem Eingang E.5 verbunden, während der Kollektor einerseits über einen Widerstand
R.6 mit der Betriebsspannung UB beaufschlagt ist und andererseits mit einem Eingang
eines Verstärkers 20 verbunden ist.
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Der Ausgang des Verstärkers 20 bildet den Ausgang F des Eingangsverstärkers
10. Die Wirkungsweise dieses Transistors 18 ist die gleiche, wie die des Operationsverstärkers
12, das heißt, die Verstärkungen der Meßspannung UM und der Ausgangsspannung UA
addieren sich entgegengesetzt, so daß ein Nullabgleich erreicht wird. Zur Verbesserung
der Eigenschaften des durch den Transistor 18 und den Verstärker 20 gebildeten Teils
des Eingangsverstärkers 10 kann der Transistor 18 durch einen sogenannten Dualtransistor
ersetzt werden, welcher aus zwei identischen Transistoren besteht und bei der vorliegenden
Anwendung besonders vorteilhaft ist, da er praktisch keine Drift aufweist.
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Die beschriebenen Schaltungsanordnungen sind sehr einfach im Aufbau
und benötigen nur einfache und damit preisgünstige Bauteile und bieten dennoch die
geforderte Empfindlichkeit und Genauigkeit sowohl für Trägerfrequenz- als auch für
Gleichstrommeßsysteme.