DE3238482C1

DE3238482C1 - Elektrische Vielstellen-Messeinrichtung

Info

Publication number: DE3238482C1
Application number: DE3238482A
Authority: DE
Inventors: Manfred 6108 Weiterstadt Kreuzer
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1982-10-18
Filing date: 1982-10-18
Publication date: 1983-10-27
Also published as: GB8327898D0; GB2128759B; US4644262A; GB2128759A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Vielstellen-Meßeinrichtung in Brückenschaltung, die eine Ergänzungshalbbrücke aufweist und bei der die Meßstellen innerhalb jeweils eines Meßbrückenzweigs einen in einer Viertelbrückenschaltung angeordneten Meßwiderstand und einen allen Meßwiderständen gemeinsamen Ergänzungswiderstand aufweisen und bei der die einzelnen Meßstellen mittels eines am einen Ende der jeweiligen Viertelmeßbrücke bzw. eines am einen Ende der jeweiligen Viertelmeßbrücke und eines am ergänzungswiderstandsseitigen Ende des Meßbrükkenzweigs angeordneten Speisespannungsschalters wahlweise an eine Speisespannungsquelle anschaltbar sind, wobei an jeder Meßstelle zwischen dem Speisespannungsschalter und dem Meßwiderstand und zwischen dem Ergänzungswiderstand und der Speisespannungszuführleitung bzw. dem Speisespannungsschalter für den Ergänzungswiderstand je ein Spannungsabgriff vorgesehen ist, der mit einer Regelanordnung verbunden ist, die ein Pegelkontrollgerät enthält, das den Spannungspegel am Ort des Spannungsabgriffs mit einem vorgebbaren Bezugswert vergleicht und ein der Regelabweichung entsprechendes Signal zur Nachregelung an einen Speisespannungsgenerator abgibt

Eine derartige Vielstellen-Meßeinrichtung ist bereits bekannt (DE-PS 23 14 754). Mit der bekannten Meßeinrichtung lassen sich Dehnungsmeßstreifen (DMS) in Viertelbrückenschaltungen unter Beseitigung des Einflusses der Spannungsabfälle auf den Speisespannungszuleitungen und an den Schaltern erfassen. Als Schalter können daher auch kontaktlose Schaltmittel verwendet werden. Die Spannungsabfälle in der Meßdiagonale, den Leitungen zwischen den Meßwiderständen und den Kompensationswiderständen bzw. dem Ergänzungswiderstand beeinflussen jedoch noch die Messung. Um diesen Einfluß möglichst gering zu halten, müssen beispielsweise bei der Verwendung von Dehnungsmeßstreifen die Meßwiderstände und die Kompensationswiderstände Bzw. der Ergänzungswiderstand eng benachbart angeordnet und über sehr niederohmige Leitungen verbunden werden. Liegen zwischen den einzelnen Meßstellen größere Entfernungen, dann müssen die einzelnen Meßwiderstände mit Kompensatiuönswiderständen zu Halbbrücken ergänzt werden, um Fehler durch Spannungseinflüsse auf den Leitungen zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vielstellen-Meßeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß der Einfluß der

auf den Leitungen der Meßdiagonale anstehenden Spannungen auf das Meßergebnis beseitigt oder wenigstens erheblich vermindert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß je ein weiterer Spannungsabgriff zwischen den Meßwiderständen und den von den Meßwiderständen ausgehenden Verbindungsleitungen zum Ergänzungswiderstand sowie zwischen dem Ergänzungswiderstand und der zu den Meßwiderständen führenden Verbindungsleitung vorgesehen ist, daß der an dem jeweils eingeschalteten Meßwiderstand und dem Ergänzungswiderstand abgegriffene Spannungsabfall je zur Hälfte ^r dem Meß- und dem Ergänzungsbrückenzweig zugeordnet wird und daß die Brückenspeisespannung um diesen Spannungsabfall erhöht wird.

Mit dieser Anordnung können die Fehlerspannungen in den Meßdiagonalen kompensiert werden. Es ist deshalb möglich, mit einem am oder im Meßgerät angebrachten Ergänzungswiderstand mehrere entfernte, über lange Kabel angeschlossene Einzelmeßwiderstände in Viertelbrückenschaltungen im Verlauf der Messung nacheinander zu Halbbrücken zu ergänzen. Die Spannungsabfälle an den Kabelwiderständen rufen dabei weder Nullpunkts- noch Empfindlichkeitsfehl§r hervor. ·.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die an den Meßwiderständen und dem Ergänzungswiderstand abgegriffenen Spannungen je über einen Spannungsfolger an Eingänge eines Differenzverstärkers angelegt sind, dessen Ausgangsspannung zusammen mit der Bezugsspannung jeweils einen Eingang einer Summierschaltung beaufschlagt, die mit dem Speisespannungsmeßgenerator verbunden ist.

Die Spannungsfolger mit einem Spannungsverstärkergrad von eins haben eine sehr hohe Eingangsimpedanz und eine definierte niedrige Ausgangsimpedanz. Deshalb wird von den Meßwiderständen und dem Ergänzungswiderstand praktisch kein Strom zu dem Spannungsfolger abgezweigt. Der Einfluß der Widerstände der Abzweigleitungen zu den Spannungsfolgern und der Kontaktübergangswiderstände der in den Abzweigleitungen angeordneten Meßstellenumschalter wird deshalb auf eine vernachlässigbare Größenord¹ nung reduziert. An den Ausgängen der beiden Spannungsfolger steht eine dem Unterschied zwischen der Spannung am jeweiligen Meßwiderstand und am Ergänzungswiderstand entsprechende Spannung zur Verfugung.

Vorzugsweise sind die an den Meßwiderständen und dem Ergänzungswiderstand abgegriffenen Spannungen an die Reihenschaltung zweier Widerstände gelegt, die gleich groß sind und an deren gemeinsame Verbindungsstelle ein Eingang eines Meßgeräts angeschlossen ^s ist. Durch die Aufteilung des Spannungsabfalls zwischen f den Meßwiderständen und dem Ergänzungswiderstand

je zur Hälfte auf den Meß- und den Ergänzungsbrük-Ji kenzweig wird der Einfluß dieses Spannungsabfalls auf die an das Meßgerät gelegte Verbindungsstelle der beiden Widerstände beseitigt.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform_{:ist die Ergänzungshalbbrücke je über einen Spannungsfolger an die von den Eingängen der Meßwiderstände und des Ergänzungswiderstands abgegriffenen Spannungen gelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer elektrischen Vielstellen-Meßeinrichtung, die als Speisespannungsgenerator zwei Operationsverstärker 1, 2 enthält, an deren Ausgänge Speisespannungsschalter für Meßstellen angeschlossen sind. Der Ausgang des Operationsverstärkers 1 ist mit den Speisespannungsschaltern Sn, S₂₂ und S₃₂ verbunden, während dem Operationsverstärker 2 der Speisespannungsschalter 5« nachgeschaltet ist. An die Schalter S12, S₂₂, S₃₂ sind je über Leitungen Ln, Lq2 und L32 Meßwiderstände M\, Mz und M₃ angeschlossen. Der Speisespannungsschalter Se₃ ist über eine Leitung Le₃ mit einem Ergänzungswiderstand E verbunden.

Die zweiten Anschlüsse der Meßwiderstände M_h M₂, M₃ sind jeweils an Enden von Leitungen Li, L₂, L₃ gelegt, deren andere Enden durch Brücken 3 z. B. am Meßgerät miteinander verbunden sind. An die Brücken 3 ist ferner das eine Ende einer Leitung Le angeschlossen, deren anderes Ende mit dem Ergänzungswiderstand E in Verbindung steht. Die Meßwiderstände Mi, M₂, M₃ sind jeweils in einem Viertelbrückenzweig angeordnet, der während der Messung durch den Ergänzungswiderstand E zu einem Halbbrückenzweig erweitert wird. Der Ergänzungswiderstand ist allen Meßwiderständen M\, M₂, M₃ gemeinsam. Zwischen den Speisespannungsschaltern Sn, Sn, S₃₂ und den Meßwiderständen M\, M₂, M₃ sind jeweils Leitungen L\₂, L₂₂', L₃₂ angeschlossen, die je über Schalter Sn, S₂₂, S₃₂ mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 verbunden sind. Vorzugsweise sind die Enden der Leitung Li₂', L22' und L₃₂ an die Anschlußenden der Meßwiderstände Mi, M₂, M₃ gelegt. Zwischen dem Speisespannungsschalter Se₃ und dem Ergänzuhgswiderstand E ist eine Leitung Le₃ angeschlossen, die über einen Schalter Se3 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 verbunden ist Das Ende der Leitung L_E3 ist vorzugsweise an das Anschlußende des Ergänzungswiderstands iigelegt.

Mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers steht weiterhin der Eingang eines Spannungsfolgers 4 in Verbindung, der eine sehr hohe Eingangsimpedanz, eine vernachlässigbar kleine Ausgangsimpedanz und eine Spannungsverstärkung von eins hat. Der Ausgang des Spannungsfolgers 4 speist einen Widerstand R₃, der in Reihe mit einem Widerstand R4 liegt. Der Widerstand Ra ist mit seinem nicht an den Widerstand R₃ angeschlossenen Ende mit dem Ausgang eines Spannungsfolgers 5 verbunden, der ebenfalls die Spannungsverstärkung eins und eine hohe Eingangsimpedanz bei niedriger Ausgangsimpedanz hat. Der Eingang des Spannungsfolgers 5 ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 angeschlossen. Die beiden Widerstände R₃ und Ra bilden eine Ergänzungshalbbrücke für die Meßstellen. An die Verbindungsstelle zwischen den beiden Widerständen R₃ und R4 ist ein Eingang eines Meßgeräts 6 angeschlossen.

Weitere Spannungsabgriffe sind zwischen den Meßwiderständen Mu M₂ und M₃ und den Leitungen Ln, L₂X und L31 vorgesehen, die von den Meßwiderständen Mi, M₂ und M₃ ausgehen. An die Anschlußenden der Meßwiderstände M\, M₂, M₃ sind neben den Enden der Leitungen Li, L₂, L₃ auch die Enden weiterer Leitungen L₃U L21 und Ln gelegt. Die zweiten Enden der Leitungen L31, L₂I, Ln sind jeweils an Schalter Su, S_2i, S31 angeschlossen, deren zweite Anschlüsse gemeinsam an den Eingang eines Spannungsfolgers 7 gelegt sind, der eine sehr hohe Eingangsimpedanz bei niedriger

Ausgangsimpedanz und eine Spannungsverstärkung von eins hat. Neben der Leitung Le ist eine Leitung Leι mit dem einen Anschluß des Ergänzungswiderstands E verbunden. Die Leitung L_E\ ist über einen Schalter Se\ mit einem Eingang eines weiteren Spannungsfolgers 8 verbunden, der ebenfalls eine sehr hohe Eingangsimpedanz, eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine Spannungsverstärkung von eins hat. Die Ausgänge der Spannungsfolger 7, 8 sind je mit den Anschlüssen von Widerständen R\, R₂ verbunden, die in Reihe geschaltet )₀ sind. An die gemeinsame Verbindungsstelle der beiden Widerstände Ri, R₂ ist der andere Eingang des Meßgeräts 6 angeschlossen. Die Ausgänge der Spannungsfolger 7, 8 speisen weiterhin je einen Eingang eines Differenzverstärkers 9, dessen Ausgang ein Eingang 10 eines Summierglieds 11 nachgeschaltet ist. Der zweite Eingang 12 des Summierglieds 11 ist an eine Bezugsspannung gelegt, die fest vorgegeben wird. In dem Summierglied 11 wird die vom Differenzverstärker 9 abgegebene Spannung der Bezugsspannung überlagert. Aus dieser Summenspannung werden zwei gleich große, jeweils positive oder negative erdsymmetrische Spannungen gebildet, die je der Hälfte der Summenspannung entsprechen. Die positive und die negative Spannung werden jeweils den nichtinvertierenden Eingängen der Operationsverstärker 1,2 zugeführt.

Auf diese Weise werden die Spannungsverluste zwischen den Ausgängen der Operationsverstärker 1,2. und den Eingängen der Meßwiderstände Mi, M₂, M₃ bzw. dem Eingang des Ergänzungswiderstands E ausgeglichen.

Der Spannungsabfall innerhalb der Meßdiagonalen, die an der Leitung Le und der jeweils durch eine Betätigung des zugehörigen Schalters Si₂, S₂₂ oder S₃₂ in den Brückenkreis eingeschalteten Leitung L\, L₂ oder L₃ abfällt, wird über die Leitung L_E\ und die jeweils durch eine Betätigung des Schalters SIi, Sn, S₃i ausgewählte Leitung Lu, L₂] oder L31 abgegriffen. Weil die Spannungsfolger 7, 8 hohe Eingangsimpedanzen aufweisen, treten auf den Leitungen Leu Lu, La\ und L31 und an den Schaltern Sei, Su, S21, S31 praktisch keine Spannungsabfälle auf.

Über die Spannungsfolger 7, 8 gelangt das Potential am Ausgang desjenigen Meßwiderstands, der an Speisespannung gelegt ist, und das Potential am Kompensationswiderstand E an die Reihenschaltung der Widerstände R\, R2 und an den Differenzverstärker 9. An den Widerständen Ru R₂ und an den Eingängen des Differenzverstärkers 9 steht demnach eine Differenzspannung Δ U\ an. Der Differenzverstärker 9, der die Spannungsverstärkung eins hat, erzeugt aus der Differenzspannung Δ U\ eine massebezogene Spannung U\ und führt diese dem Summierglied 11 zu. Das Summierglied 11 addiert zur Bezugsspannung LW die Spannung U\. Die Summe beider Spannungen bildet die Betriebsspannung Ub, für die folgende Beziehung gilt:

U_B=U_Ref+Uu

Die Betriebsspannung Ub wird in eine positive und eine negative Hälfte aufgeteilt, wobei die beiden Hälften symmetrisch zu Erd- bzw. Massepotential sind. Die beiden halben Betriebsspannungen

U₁

+ —— und 2 2

beaufschlagen jeweils die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker 1,2.

Zwischen den Ausgängen der Operationsverstärker 1, 2 und deren invertierenden Eingängen sind jeweils weitere, mit Δ U₂ und Δ U₃ bezeichnete Spannungsdifferenzen vorhanden. Diese Spannungsabfälle werden von den auf den Leitungen L)₂, L₂₂, L₃₂, L^₃ und über die Schalter S12, S₂₂, S₃₂, Se₃ fließenden Strömen hervorgerufen. Die Operationsverstärker 1, 2 regeln die an den Eingängen der Meßwiderstände Mi, M₂, M₃ und des Ergänzungswiderstands .Eauftretenden Spannungen auf Werte aus, die je den Betriebsspannungen

entsprechen. Da die Betriebsspannung Ub um die Differenzspannung Δ U\ größer als die Bezugsspannung LW ist, fällt an dem jeweils in den Meßkreis eingeschalteten Meßwiderstand M\, M₂, M₃ unter Einschluß des Ergänzungswiderstandes E genau die Bezugsspannung LW ab, da an den Leitungen Le und Li... L₃ die Spannung Δ U_x abfällt. Die Spannungsabfälle Δ Ui, Δ U₂, Δ U₃ haben deshalb keinen Einfluß auf die Meßempfindlichkeit.

Durch die beiden gleich großen Widerstände Ri und Ri wird die Differenzspannung Δ Ui genau halbiert. Es werden daher zwei gleich große Teilspannungen symmetrisch den Brückenzweigen zugeordnet. Daher hat die Differenzspannung keinen Einfluß auf die Nullage des Meßgeräts 6.

Der Ergänzun'gswiderstand E kann an oder in der Meßeinrichtung, die vorzugsweise die Elemente Si₂, S₂₂, S₃₂, Si₂', S₂₂', S₃₂', Su, S₂i, S₃i, Sei, Se₃, Sp', 1,2,4,5,6,7, 8, 9, 11, Ri, R₂, R₃, Ra einschließlich der für die Verstärker 1, 2 und die Spannungsfolger 1, 2, 5, 7, 8 erforderlichen Betriebsspannungsversorgung enthält, angebracht sein.

Die Meßwiderstände M_h M₂, M₃ können in größerer Entfernung von der Meßeinrichtung montiert und über lange Kabel an diese angeschlossen sein. Trotzdem rufen die Spannungsabfälle auf den Kabeln am Meßgerät 6 weder Nullpunkts- noch Empfindlichkeitsfehler hervor.

In der Zeichnung sind die Speisespannungsschalter Si₂ und Se₃ sowie die Schalter Si₂, S₃₎, S^₃' und S^i in geschlossenem Zustand dargestellt, während die anderen Schalter geöffnet sind. In den dargestellten Stellungen dieser Schalter ist der Meßwiderstand Mi für die Messung ausgewählt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Vielstellen-Meßeinrichtung in Brükkenschaltung, die eine Ergänzungshalbbrücke aufweist und bei der die Meßstellen innerhalb jeweils eines Meßbrückenzweigs einen in einer Viertelbrükkenschaltung angeordneten Meßwiderstand und einen allen Meßwiderständen gemeinsamen Ergänzungswiderstand aufweisen und bei der die einzelnen Meßstellen mittels eines am einen Ende der jeweiligen Viertelmeßbrücke bzw. eines am einen Ende der jeweiligen Viertelmeßbrücke und eines am ergänzungswiderstandsseitigen Ende des Meßbrükkenzweigs angeordneten Speisespannungsschalters wahlweise an eine Speisespannungsquelle anschaltbar sind, wobei an jeder Meßstelle zwischen dem Speisespannungsschalter und dem Meßwiderstand und zwischen dem Ergänzungswiderstand und der Speisespannungszuführleitung bzw. dem Speise-Spannungsschalter für den Ergänzungswiderstand je ein Spannungsabgriff vorgesehen ist, der mit einer Regelanordnung verbunden ist, die ein Pegelkontrollgerät enthält, das den Spannungspegel am Ort des Spannungsabgriffs mit einem vorgebbaren Bezugswert vergleicht und ein der Regelabweichung entsprechendes Signal zur Nachregelung an einen Speisespannungsgenerator abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß je ein weiterer Spannungsabgriff zwischen den Meßwiderständen (Mi, M₂, Ms) und den von den Meßwiderständen (Mi, M₂, M₃) ausgehenden Verbindungsleitungen (Li, L₂, L₃) zum Ergänzungswiderstand (E) sowie zwischen dem Ergänzungswiderstand (E) und der zu den Meßwiderständen (Mi, M₂, M₃) führenden Verbindungsleitung (Le) vorgesehen ist, daß der an dem jeweils eingeschalteten Meßwiderstand und dem Ergänzungswiderstand (E) abgegriffene Spannungsabfall Δ U\ je zur Hälfte dem Meß- und dem Ergänzungsbrückenzweig zugeordnet wird und daß die Brükkenspeisespannung um diesen Spannungsabfall A U\ erhöht wird.

2. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge derjenigen Leitungen (L31, Ln, Lu, Lei), die von den an den Meßwiderständen (Mi, M₂, Mi) und dem Ergän- ■> zungswiderstand (E) abgegriffenen Spannungen beaufschlagt sind, jeweils Schalter (Su, S₂I, S₃I, Sei) angeordnet sind, die synchron mit den dem jeweiligen Meßwiderstand (Mi, M2, M₃) bzw. dem Ergänzungswiderstand vorgeschalteten Speisespannungsschaltern (S12, S22, S₃₂; S₃) und den im Zuge derjenigen Leitungen (Ln, L₂₂, L₃₂', Le₃) angeordneten Schaltern (Si₂', S₂₂, S₃₂; Se₃) betätigbar sind, die von den an den Eingangsanschlüssen der Meßwiderstände (Mi, M₂, M₃) und des Ergänzungswiderstandes (E) abgegriffenen Spannungen beaufschlagt sind.

3. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den60 Meßwiderständen (Mi, M₂, M₃) und dem Ergänzungswiderstand (E) abgegriffenen Spannungen je über einen Spannungsfolger (7,8) an Eingänge eines Differenzverstärkers (9) angelegt sind, dessen Ausgangsspannung zusammen mit der Bezugsspannung jeweils einen Eingang (10,12) einer Summierschaltung (11) beaufschlagt, die mit dem Speisespannungsgenerator (1,2) verbunden ist.

4. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Meßwiderständen (Mi, M₂, M₃) und dem Ergänzungswiderstand (E) abgegriffenen Spannungen an die Reihenschaltung zweier Widerstände (Ru R₂) gelegt sind, die gleich groß sind und an deren gemeinsame Verbindungsstelle ein Eingang eines Meßgeräts (6) angeschlossen ist.

5. Vielstellen-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergänzungshalbbrücke je über einen Spannungsfolger (4,5) an die von den Eingängen der Meßwiderstände (Mi, M₂, M₃) und des Ergänzungswiderstandes (E) abgegriffenen Spannungen gelegt ist.