DE3037925A1

DE3037925A1 - Schaltungsanordnung zur messung elektrischer eigenschaften

Info

Publication number: DE3037925A1
Application number: DE19803037925
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.techn. 4630 Bochum Schierjott
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-08
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE3037925C2; US4449093A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnving zur Messung elektrischer Eigenschaften wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten, bei der ein durch die zu messende Größe veränderliches Schaltelement Bestandteil einer Brückenschaltung ist.

Bei Brückenschaltungen bekannter Ausführungen werden die Widerstände der Brückenzweige möglichst weitgehend aneinander angepaßt und nur kleine Veränderungen des meßwertabhängigen Widerstandes bei der direkten Auswertung der Diagonalspannung zugelassen. Bei der Nullmethode wird die durch Veränderung des meßgroßenabhangigen Schaltelementes hervorgerufene Verstimmung der Diagonalspannung durch die entsprechende Veränderung an einem weiteren Schaltelement der Brückenschaltung kompensiert bis die Diagonalspannung wieder den Wert null erreicht hat. Hierbei ist die Veränderung des weiteren Schaltelementes das Meßsignal. Bei beiden Varianten der vorerwähnten Meßbrücken werden die Brückenzweige aus einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeist. Diese bekannten Ausführungen der Meßbrücken benötigen zu einer ausreichend genauen Messung einen hohen Aufwand bei der Kompensationsmethode bzw. sind nur in einem kleinen Bereich der Änderung des Widerstandswertes einsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der es auf einfachste Weise möglich ist, große Änderungen des Widerstandswertes eines Schaltelementes in einer Brückenschaltung in eine proportionale bzw. umgekehrt proportionale Änderung der Diagonalspannung der Brücke umzuformen, wenn die Diagonalspannung null ist für Widerstandswerte des veränderlichen Schaltelementes, die klein bzw. groß sind im Vergleich zu den Widerstandswerten der restlichen Schaltelemente der Brückenschaltung, insbesondere wenn der Widerstandswert des veränderlichen Schaltelementes gegen null bzw. gegen unendlich strebt.

Bei einer Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften in der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Brückenzweige mit je wenigstens zwei in Reihe geschalteten Schaltelementen wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten sowie Kombinationen derselben vorgesehen sind, von denen ein Schaltelement durch die zu messende Größe in seinem Widerstandswert veränderbar ist, daß die Brückenzweige an eine gemeinsame Spannungsquelle mit zwei Ausgängen mit unterschiedlichen Spannungswerten angeschlossen sind, wobei die Spannung am Brückenzweig ohne das durch die zu messende Größe veränderliche Schaltelement sich von der Spannung am anderen Brückenzweig durch den Faktor a unter scheidet, und daß die Spannungsdifferenz zwischen den Diagonalpunkten der Brückenzweige als Meßsignal dient.

Der konstante Faktor a wird zur Erzielung übersichtlicher und einfacher Verhältnisse größer als 1 gewählt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die gemeinsame Spannungsquelle aus einer Wechselspannungsquelle mit einem nachgeschalteten Übertrager mit einer Eingangs- und einer Ausgangswicklung, bei der an der letztgenannten eine Anzapfung derart angeordnet ist, daß zwischen Anfangs- und Endpunkt der Ausgangswicklung die größere Spannung und zwischen dem Anfangspunkt und der Anzapfung die kleinere Spannung abgreifbar sind.

Auch kann es vorteilhaft sein, die gemeinsame Spannungsquelle aus einer Wechselspannungsquelle mit einem nachgeschalteten Übertrager mit einer Eingangswicklung und zwei Ausgangswicklungen zu bilden, wobei die Windungszahlen der Ausgangswicklungen sich durch den Faktor a unterscheiden.

Wenn die Brückenschaltung komplexe Schaltelemente enthält, ist es zweckmäßig, die Schaltungsanordnung dahingehend

zu erweitern, daß die durch komplexe Schaltelemente verursachte Phasenverschiebung in ihrer Auswirkung auf das Meßsignal eliminiert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß an den Diagonalpunkten der Brückenzweige jeweils ein Gleichrichterventil angeschlossen wird, jedem Gleichrichterventil ein elektronischer Speicher nachgeschaltet wird und die Differenz der Gleichspannungen an den Ausgängen der Speicher als Meßsignal verwendet wird.

Es kann vorteilhaft sein, die Gleichrichterventile in an sich bekannter Weise außerdem mit einer Impedanzwandlerschaltung zu verbinden, um eine widerstandsmäßige Entkopplung zwischen den Schaltelementen der Brückenzweige und der elektronischen Speicher zu erreichen.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen .in dem robusten und einfachen Aufbau, der weitgehend frei von störanfälligen und komplizierten elektronischen und elektro-mechanischen Bauelementen ist, wobei als weiterer Vorteil die Unabhängigkeit des Nullsignals von Spannungsschwankungen der Speisespannung hinzu kommt. Die Schaltungsanordnung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß für das veränderliche Schaltelement auch die extremen Widerstandswerte null und unendlich zugelassen sind und daß sowohl proportionale als auch umgekehrt proportionale Widerstandsfunktionen des Schaltelements, das durch die zu messende Größe in seinem Widerstandswert veränderlich ist, in Abhängigkeit von der zu messenden elektrischen Eigenschaft in eine proportionale Änderung des Meßsignals umgeformt werden kann.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist überdies auch dann einsetzbar, wenn in den Brückenzweigen mehrere veränderliche Schaltelemente wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten sowie Kombinationen derselben auftreten.

Bei Betrieb mit Wechselspannung bietet die Schaltungserweiterung die Vorteile, daß Phasenverschiebungen eliminiert werden und die so gebildeten Gleichspannungspotentiale mit Hilfe der modernen Halbleitertechnik einfacher zu bearbeiten sind als Wechselspannungspotentiale und daß die Schaltungsanordnung für alle Frequenzen und für alle Spannungsformen wie Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, Sägezahnformen usw. einsetzbar ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltungsanordnung näher erläutert.

Die dargestellte Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten enthält eine Brückenschaltung 1 mit vier Schaltelementen Z-, Z₃, Z^ und Z., von denen der Widerstandswert wenigstens eines Schaltelementes durch die zu messende Größe veränderlich ist. Die Brücke 1 wird aus einer Wechselspannungsquelle 2 gespeist, an deren Ausgängen die Spannungen U und aU abnehmbar sind, wobei der Ausgang mit der Spannung U an den Brückenzweig Z_, Z. und der Ausgang mit der Spannung au an den Brückenzweig Z , Z_ der Brückenschaltung 1 angeschlossen ist. Die Differenz der Spannungspotentiale zwischen den Diagonalpunkten A und B der Brückenschaltung 1 bildet das Meßsignal A υ.

Für die Differenz der Spannungspotentiale an den Punkten A und B gilt die Beziehung:

AU = U_ÄT, = U

AB ' Z, + Z

Z₁ . Ζ-Wird zum Beispiel in dieser Gleichung a = —- gewählt,

so ist die Spannungsdifferenz U umgekehrt proportional der Widerstandsänderung von Z₄. Somit kann die Brückenschaltung vorteilhaft eingesetzt werden für Meßaufgaben, bei denen die zu messende Größe als Widerstandsänderung einer Meßbrücke dargestellt wird und sich der Widerstandswert umgekehrt proportional zum Wert der Meßgröße verhält. Die Spannungsdifferenz U,_ ist also direkt proportional der Meßgröße.

Die Schaltungsanordnung ist auch dann im Sinne der Erfindung anwendbar, wenn Z- das durch die Meßgröße veränderliche Schaltelement enthält und/oder die Spannungsdifferenz U_BA das Meßsignal darstellt.

Zur Eliminierung einer durch eventuell vorhandene komplexe Schaltelemente verursachte Phasenverschiebung in ihrer Auswirkung auf das Meßsignal ist an Diagonalpunkte A, B der Brückenschaltung 1 je eine Meßkette angeschlossen. Jede Meßkette enthält ein Gleichrichterventil 3 sowie einen nachgeschalteten Speicher 4, z.B. ein Kondensator, wobei an den Endpunkten der beiden Meßketten ein Verstärker 5 zur weiteren Verarbeitung der Gleichspannungspotentiale angeschlossen ist. Die Gleichrichterventile können als Einweg- oder Zweiweggleichrichter ausgebildet sein.

Die Spannungspotentiale an den Diagonalpunkten A, B der Brückenschaltung 1 werden durch die Gleichrichterventile 3 in Gleichspannungswerte umgeformt, die den nachgeschalteten Speichern 4 zugeführt werden, die sich auf das jeweilige Spitzenpotential aufladen, welche infolge der in rückwärtiger Richtung sperrenden Wirkung der Gleichrichterventile eine Zeitlang erhalten bleiben. An den Ausgängen der Speicher 4 treten somit Gleichspannungspotentiale auf, die nicht mehr von der Phasenverschiebung der Spannungspotentiale der Diagonalpunkte A, B der Brücken-

- 8 Schaltung 1 beeinflußt sind.

Eine praktische Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich bei der Temperaturmessung mit Meßwertauf nehmern, bei denen im zugelassenen Meßbereich große Änderungen des Widerstandswertes mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfaßt werden sollen. Dies ist besonders bei Verwendung von Halbleiterwiderständen mit großen negativen Temperaturkoeffizienten der Fall. Infolge dieser Eigenschaften der Schaltungsanordnung ist es auf einfache Weise möglich, eine zu messende Temperatur in eine direkt proportionale Spannung umzuformen.

Eine weitere praktische Anwendung dieser Brückenschaltung ergibt sich bei der Leitfähigkeitsmessung wässriger Elektrolytlösungen mit an sich bekannten Leitfähigkeitsgebern, wobei der elektrische Widerstand der Lösung umgekehrt proportional der Leitfähigkeit ist. Auch hier ist es auf einfache Weise möglich, die elektrische Leitfähigkeit in eine direkt proportionale Spannung umzuformen.

Als eine weitere Anwendung der Brückenschaltung ist die Messung der Kapazität oder Induktivität komplexer Widerstände zu nennen. Hierbei wird eines der Schaltelemente Z₅ oder Z. als Schwingkreis mit unendlichem Widerstand oder mit dem Widerstand null ausgebildet. Wird nun diesem Schwingkreis ein komplexer Widerstand in geeigneter Weise parallel oder in Serie zugeschaltet, so schwingt der Kreis nicht mehr mit der Resonanzfrequenz. Die Verstimmung bewirkt schon bei kleinen Änderungen eine große Widerstandsänderung des als Brückenwiderstand geschalteten Schwingkreises. Die Größe der Differenzspannung 4ü ist somit direkt proportional der Größe des komplexen Widerstandes. Durch die Steilheit der Resonanzkurve ist somit die Möglichkeit gegeben, auf einfache Weise sehr kleine komplexe Widerstände zu messen.

Claims

3037025

Radt, Finkener, Emesti

Patentanwälte Heinrich-König-Straße« 119

Bochum

Femsprtttw (02J4) 47727/ 28 Teicgrammitdrcue: Radtpatoit Bochum

80 130 WE/HH

Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften

Patentansprüche

(lj Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten, bei der ein durch die zu messende Größe veränderliches Schaltelement Bestandteil einer Brückenschaltung ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brückenzweige mit je wenigstens zwei in Reihe geschalteten Schaltelementen (Z₁, Z und Z_, Z.) wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten sowie Kombinationen derselben vorgesehen sind, von denen ein Schaltelement durch die zu messende Größe in seinem Widerstandswert veränderbar ist, daß die Brückenzweige an eine gemeinsame Spannungsquelie (2) mit zwei Ausgängen mit unterschiedlichen Spannungswerten (U bzw. aU) angeschlossen sind, wobei die Spannung (aU) am Brückenzweig ohne das durch die zu messende Größe veränderliche Schaltelement sich von der Spannung (U) am anderen Brückenzweig durch den Faktor a unterscheidet, und daß die Spannungsdifferenz zwischen den Diagonalpunkten (A, 3) der Brückenzweige als Meßsignal (AU) dient.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor a größer als 1 ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Spannungsquelle (2) aus einer Wechselspannungsquelle mit einem nachgeschalteten Übertrager mit einer Eingangs- und einer Ausgangswicklung besteht, bei der an der letztgenannten eine Anzapfung derart angeordnet ist, daß zwischen Anfangs- und Endpunkt

OBIGINAL INSPECTED

der Ausgangswicklung die größere Spannung (aU) und zwischen dem Anfangspunkt und der Anzapfung die kleinere Spannung (U) abgreifbar sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Spannungsquelle (2) aus einer Wechselspannungsquelle mit einem nachgeschalteten Übertrager mit einer Eingangs- und zwei Ausgangswicklungen besteht, wobei die Windungszahlen der Ausgangswicklungen sich durch den Faktor a unterscheiden-.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die durch komplexe Schaltelemente verursachte Phasenverschiebung in ihrer Auswirkung auf das Meßsignal eliminiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß an die Diagonalpunkte (A, B) der Brückenzweige jeweils ein Gleichrichterventil (3) angeschlossen ist, daß jedem Gleichrichterventil (3) ein elektronischer Speicher (4) nachgeschaltet ist und daß die Differenz der Gleichspannungspotentiale an den Ausgängen der Speicher (4) als Meßsignal dient.