DE3427635C1 - Brückenschaltungsanordnung - Google Patents

Brückenschaltungsanordnung

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DE3427635C1
DE3427635C1 DE19843427635 DE3427635A DE3427635C1 DE 3427635 C1 DE3427635 C1 DE 3427635C1 DE 19843427635 DE19843427635 DE 19843427635 DE 3427635 A DE3427635 A DE 3427635A DE 3427635 C1 DE3427635 C1 DE 3427635C1
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bridge
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voltage
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circuit arrangement
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DE19843427635
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English (en)
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Walter Dr. 7853 Steinen Kästel
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/10AC or DC measuring bridges
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/243Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the phase or frequency of ac
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/225Measuring circuits therefor

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Description

  • Die Brückenschaltungsanordnung nach der Erfindung arbeitet stets im Abgleichzustand, der selbsttätig herbeigeführt wird, wodurch sich die dieser Betriebsweise eigene große Meßgenauigkeit ergibt. Der Abgleich erfolgt aber nicht durch eine Änderung von Impedanzwerten in der Brückenschaltung oder durch Gegenschaltung einer Kompensationsspannung, sondern durch Änderung des Tastverhältnisses der Pulsmodulation, indem die Impulsfolgefrequenz bei gleichbleibender Impulsdauer geändert wird. Die Impulsfolgefrequenz ist daher unmittelbar kennzeichnend für den zu messenden Impedanzwert. Demzufolge kann als Meß- wertsignal ein in der Schaltungsanordnung auftretendes Signal mit der Impulsfolgefrequenz verwendet werden, beispielsweise das Ausgangssignal des Impulsmodulators oder eines im Impulsmodulator enthaltenen spannungsgesteuerten Oszillators. Ein solches Signal ist sehr störsicher und eignet sich unmittelbar für eine digitale Verarbeitung, beispielsweise in einem Mikroprozessor.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Temperaturdrift fast aller Bausteine keine Rolle spielt, da sie durch die Regelung ausgeglichen wird. Aus dem gleichen Grund ist die Linearität des Zusammenhangs zwischen der Brückenausgangsspannung und der Impulsfolgefrequenz unabhängig von einer eventuellen Nichtlinearität der Spannungs-Frequenz-Kennlinie des spannungsgesteuerten Oszillators.
  • Der Aufbau der Brückenschaltungsanordnung nach der Erfindung ist sehr einfach, weil durchwegs von handelsüblichen Bauteilen Gebrauch gemacht werden kann, die als integrierte Schaltungen erhältlich sind. Ein Teil dieser Bauteile ist digital und weist daher die bekannten Vorteile dieser Technik auf. Ein großer Teil der Schaltung läßt sich somit in einem kundenspezifischen Baustein, z. B. mit Gatearrays unterbringen, was schon bei mittleren Serien interessant ist. Auch die erforderlichen Analogbausteine sind zum größten Teil unkritisch; hierfür können handelsübliche integrierte Operationsverstärker verwendet werden, die in der erforderlichen Weise beschaltet werden. Der Aufbau der Schaltungsanordnung erleichtert es auch, Bausteine von der Meßstelle entfernt anzuordnen und damit einen höheren Temperaturbereich für die wenigen an der Meßstelle sitzenden Bausteine zu erzielen.
  • Die Verwendung eines Meßwertsignals, dessen Frequenz für die Meßgröße kennzeichnend ist, erleichtert auch eine eventuell erforderliche Sicherheitsüberprüfung der Schaltung.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 das Blockschema einer ersten Ausführungsform der Brückenschaltungsanordnung, F i g. 2 Diagramme von Signalen, die in der Brückenschaltungsanordnung von F i g. 1 auftreten, F i g. 3 das Blockschema einer zweiten Ausführungsform der Brückenschaltungsanordnung und F i g. 4 Diagramme von Signalen, die in der Brückenschaltungsanordnung von F i g. 3 auftreten.
  • Die in F i g. 1 dargestellte Brückenschaltungsanordnung enthält eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 1, die in der üblichen Weise vier Widerstände 2, 3, 4, 5 enthält. Einer dieser Widerstände, beispielsweise der Widerstand 2, ist der unbekannte Widerstand. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Widerstands-Sensor handeln, dessen Widerstandswert Rx sich in Abhängigkeit von einer nichtelektrischen physikalischen Größe (Druck, Kraft, Temperatur usw.) ändert. Bekannte Beispiele für solche Widerstands-Sensoren sind Dehnungsmeßstreifen, Widerstandsthermometer, Fotowiderstände und magnetfeldabhängige Widerstände. Die Brückenschaltungsanordnung von F i g. 1 soll ein Ausgangssignal liefern, das ein den Widerstandswert Rx kennzeichnendes Meßwertsignal darstellt.
  • Der Widerstand 2 liegt in Reihe mit dem Widerstand 3 zwischen einem an Masse liegenden Schaltungspunkt 6 und einer Klemme 7, und die Widerstände 4 und 5 liegen in gleicher Weise in Reihe zwischen dem Schaltungspunkt 6 und einer Klemme 8. Bei üblichen Brükkenschaltungen sind die Klemmen 7 und 8 miteinander verbunden, so daß sie den einen Eckpunkt der Eingangsdiagonale der Brücke bilden, deren anderer Eckpunkt der Schaltungspunkt 6 ist. Die Reihenschaltung der beiden Widerstände 2 und 3 bildet somit einen zur Eingangsdiagonale parallelen Brückenzweig 10, und die Reihenschaltung der Widerstände 4 und 5 bildet einen zur Eingangsdiagonale parallelen Brückenzweig 11.
  • Der Schaltungspunkt 12 zwischen den beiden Widerständen 2 und 3 stellt den einen Eckpunkt der Ausgangsdiagonale der Brücke dar, und der Schaltungspunkt 13 zwischen den Widerständen 4 und 5 ist der andere Eckpunkt der Ausgangsdiagonale der Brücke.
  • Der Widerstand 3 kann einstellbar sein, damit die Brücke in einem bestimmten Arbeitspunkt, das heißt für einen bestimmten zu messenden Widerstandswert R, abgeglichen werden kann.
  • Eine Besonderheit der dargestellten Brückenschaltung 1 liegt darin, daß die beiden Klemmen 7 und 8 nicht miteinander verbunden sind, so daß der eine Eckpunkt der Eingangsdiagonale aufgetrennt ist, und daß die beiden zur Eingangsdiagonale parallelen Brückenzweige 10 und 11 getrennt gespeist werden. Eine weitere Besonderheit besteht darin, daß die Speisung jedes der beiden Brückenzweige 10 und 11 durch einen Pulsmodulator erfolgt, der eine pulsförmige Modulation des durch den Brückenzweig fließenden Stroms bewirkt.
  • Der den Brückenzweig 10 speisende Pulsmodulator 14 ist so ausgebildet, daß er an den Brückenzweig 10 zwischen der Klemme 7 und dem Schaltungspunkt 6 eine pulsförmig getastete Spannung konstanter Impulsfolgefrequenz, konstanter Impulsdauer und konstanter Impulsamplitude anlegt. Im einfachsten Fall kann der Pulsmodulator 14 einen Taktgeber 15 und ein Monoflop 16 enthalten. Der Taktgeber 15 erzeugt eine konstante Impulsfolgefrequenz und löst in jeder Periode das Monoflop 16 aus, das bei jeder Auslösung einen Spannungsimpuls konstanter Dauer und konstanter Amplitude abgibt. Der Brückenzweig 10 bildet einen Spannungsteiler, desses Abgriff der Schaltungspunkt 12 ist. Am Schaltungspunkt 12 besteht somit eine pulsförmig getastete Spannung, deren Impulsamplitude vom Verhältnis der Widerstände 2 und 3 abhängt.
  • Der den Brückenzweig 11 speisende Pulsmodulator 17 ist so ausgebildet, daß er an den Brückenzweig 11 zwischen der Klemme 8 und dem Schaltungspunkt 6 eine pulsförmig getastete Spannung konstanter Impulsdauer und konstanter Impulsamplitude, aber mit veränderlicher Impulsfolgefrequenz anlegt. Bei dem dargestellten Beispiel enthält der Pulsmodulator 17 zu diesem Zweck einen spannungsgesteuerten Oszillator 18 und ein Monoflop 19. Der spannungsgesteuerte Oszillator 18 (auch unter der Bezeichnung »VCO« bekannt) erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Frequenz durch eine an einen Steuereingang 18a angelegte Spannung bestimmt ist. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 18 löst in jeder Periode das Monoflop 19 aus, das bei jeder Auslösung einen Spannungsimpuls konstanter Dauer und konstanter Amplitude abgibt.
  • Am Schaltungspunkt 13, der den Abgriff des vom Brückenzweig 11 gebildeten Spannungsteilers darstellt, besteht somit eine pulsförmig getastete Spannung, deren Impulsamplitude vom Verhältnis der Widerstände 4 und 5 abhängt und somit konstant ist, deren Impulsfolgefrequenz jedoch durch den spannungsgesteuerten Oszillator 18 bestimmt ist.
  • Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 18 und somit die Impulsfolgefrequenz der den Oszillator 11 speisenden Spannung wird durch eine Frequenzregelschaltung 20 bestimmt, die einen von der Brückenausgangsdiagonale über den Pulsmodulator 17 verlaufenden Regelkreis bildet. Die Frequenzregelschaltung 20 enthält einen Differenzverstärker 21, dessen beide Eingänge an die Eckpunkte 12, 13 der Brückenausgangsdiagonale angeschlossen sind und der somit eine Spannung liefert, die der Brückenausgangsspannung proportional ist Dem Differenzverstärker 21 ist ein Integrator 22 nachgeschaltet, der die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers integriert und somit am Ausgang eine Spannung liefert, die dem Mittelwert der Brückenausgangsspannung proportional ist. An den Ausgang des Integrators 22 ist ein PI-Regler 23 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Steuereingang 18a des spannungsgesteuerten Oszillators 18 verbunden ist.
  • Die Frequenzregelschaltung 20 ist so ausgebildet, daß sie durch Beeinflussung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 18 die Ausgangsspannung des Integrators 22, also den Mittelwert der Brückenausgangsspannung, auf dem Wert Null zu halten sucht. Dies entspricht dem Abgleichzustand der Brücke. Bei einem Fehlabgleich der Brücke besteht am Ausgang des Integrators 22 eine Spannung, die über den Pl-Regler 23 am Oszillator 18 eine Frequenzänderung verursacht, durch die die Ausgangsspannung des Integrators 22 zu Null geregelt wird. Die Frequenzregelschaltung 20 kann auch so ausgebildet sein, daß sie sich als PID-Regler verhält.
  • Anhand der Diagramme von Fig.2 wird erläutert, wie die geschilderte Wirkung der Frequenzregelschaltung 20 zustande kommt. Diese Diagramme zeigen den zeitlichen Verlauf der Spannungen an den mit dem gleichen Buchstaben bezeichneten Schaltungspunkten in F i g. 1 in verschiedenen Betriebszuständen.
  • Die Diagramme A und B zeigen die Spannungen an den Eckpunkten 12 bzw. 13 der Brückenausgangsdiagonale im Ruhezustand, d. h. bei gleichem Verhältnis der Widerstände in den Brückenzweigen 10 und 11. Am Schaltungspunkt 12 (Diagramm A) besteht eine in Form von Rechteckimpulsen getastete Spannung UA mit der durch den Taktgeber 15 festgelegten konstanten Folgefrequenz, der die Periodendauer PA entspricht, und mit der durch das Monoflop 16 festgelegten konstanten Impulsdauer TA. Die Impulsamplitude IA hängt vom Spannungsteilerverhältnis des Brückenzweigs 10 ab, ist also in Abhängigkeit vom Widerstandswert Rx veränderlich.
  • Der pulsförmig getasteten Spannung UA entspricht ein Mittelwert MA, der gleich dem Produkt aus der Impulsamplitude IAund dem Tastverhältnis TA: PA ist.
  • Die Spannung UB am Schaltungspunkt 13 (Diagramm B) hat die gleiche Erscheinungsform einer in Form von Rechteckimpulsen getasteten Spannung wie die Spannung UA am Schaltungspunkt 12. Zur Vereinfachung ist als Beispiel angenommen, daß die Periodendauer Po, die Impulsdauer TB und die Impulsamplitude IB der Spannung UB die gleichen Werte wie bei der Spannung UA im Diagramm A haben. Der Spannung UB entspricht ein Mittelwert MB, der gleich dem Mittelwert MA ist Die Ausgangsspannung Uc (Diagramm C) ist der Differenz der beiden Spannungen UA und UB also der Brükkenausgangsspannung proportional. Der Integrator 22 bildet den Mittelwert der Differenzspannung Uc, der gleich der Differenz der Mittelwerte MA-MB ist, also den Wert Null hat. Damit ist die Abgleichbedingung erfüllt, daß im Abgleichzustand der Mittelwert der Brückenausgangsspannung Null ist.
  • Da es nur auf den Mittelwert der Brückenausgangsspannung ankommt, spielt die gegenseitige Phasenlage der Spannungen UA und UB keine Rolle. Diese beiden Spannungen können beliebig gegeneinander phasenverschoben sein, wie in den Diagrammen A und B als Beispiel dargestellt ist. Demzufolge hat auch die Differenzspannung Uc (Diagramm C) nicht dauernd den Wert Null, doch ist sie eine reine Wechselspannung mit dem Mittelwert Null.
  • Die Diagramme A' B: C'zeigen die entsprechenden Spannungen, die auftreten würden, wenn ein Fehlabgleich der Brücke infolge einer Änderung des Widerstandswerts R" bestünde, jedoch keine Frequenzregelung stattfände. Es ist angenommen, daß sich der Widerstandswert Rx verringert hat. Demzufolge hat die Spannung UA'im Diagramm A'eine kleinere Amplitude IA' im Diagramm A, während die Periodendauer PA' und die Impulsdauer TA' die gleichen Werte wie im Diagramm A beibehalten haben. Der Mittelwert MA' hat sich gegenüber dem Mittelwert MA im gleichen Verhältnis verringert wie die Impulsamplitude 1A' gegenüber der Impulsamplitude IA.
  • Die Spannung Uns'des Diagramms B' ist infolge der vorstehenden Annahme unverändert gleich der Spannung UB des Diagramms B.
  • Demzufolge ist die Differenzspannung Uc' (Diagramm C)keine reine Wechselspannung mehr, sondern sie hat einen von Null verschiedenen Mittelwert Mc' der gleich der Differenz der Mittelwerte MA~Me'ist Eine diesem Mittelwert proportionale Spannung erscheint am Ausgang des Integrators 22 und verursacht im PI-Regler 23 die Bildung einer Steuerspannung, die dem Steuereingang 18a des spannungsgesteuerten Oszillators 18 zugeführt wird.
  • Die Diagramme AH, BH, C" zeigen die Wirkung der Frequenzregelschaltung 20 bei der zuvor angegebenen Änderung des Widerstandswerts Rx. Die im Diagramm A" dargestellte Spannung UA" ist gleich der Spannung UA'im Diagramm A' Die Spannung ist gleich der Spannung UA' im Diagramm A' Die Spannung UB" (Diagramm B")hat wieder unverändert die gleiche Impulsdauer TB"wie zuvor, doch ist ihre Impulsfolgefrequenz derart verringert und demzufolge ihre Periodendauer PB"derart vergrößert, daß infolge des geänderten Tastverhältnisses TBH:Po ihr Mittelwert Mg auf denWert des Mittelwerts MA" verringert ist. Die Brückenausgangsspannung Uc" (Diagramm C") hat wieder den Mittelwert Null, und demzufolge gibt auch der Integrator 22 eine Spannung des Wertes Null ab, die zu keiner weiteren Änderung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 18 führt. Die Brückenschaltung 1 hat damit einen neuen Abgleichzustand erreicht, der dem geänderten Widerstandswert Rx entspricht.
  • Der neue Abgleichzustand (Diagramme At B" C") unterscheidet sich von dem ursprünglichen Abgleichzustand (Diagramme A, B, C) durch die Impulsfolgefrequenz im Brückenzweig 11.
  • Jedem Widerstandswert Rxist umkehrbar eindeutig eine Impulsfolgefrequenz zugeordnet, die den Brückenabgleich ergibt, d. h. den Mittelwert der Brückenausgangsspannung zu Null macht. Diese Impulsfolgefrequenz stellt sich durch die Wirkung der Frequenzregelschaltung 20 von selbst ein.
  • Man kann somit an der Schaltung ein Signal abnehmen, dessen Frequenz vom Widerstandswert Rx des zu messenden Widerstands 2 abhängt. Dieses Signal kann das Ausgangssignal des Monoflops 19 sein, wie durch den Ausgang 26 angedeutet ist, oder auch das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 18, wie durch den Ausgang 27 angedeutet ist. Das Aus- gangssignal des Monoflops 19 ist besonders vorteilhaft, weil es nur zwei Signalwerte annimmt; es handelt sich also um ein binäres Signal, das sich unmittelbar für eine digitale Signalverarbeitung eignet, beispielsweise direkt einem Mikrocomputer zugeführt werden kann. Das gleiche gilt für das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 18, wenn dieser als Rechtecksignalgenerator ausgebildet ist.
  • Die geschilderte Wirkungsweise läßt erkennen, daß es keineswegs zwingend erforderlich ist, daß die Impulsamplituden und die Impulsdauern der von den Monoflops 16 und 19 erzeugten Impulse gleich sind. Unterschiede in der Impulsdauer und/oder der Impulsamplitude werden von der Frequenzregelschaltung 20 durch entsprechende Einstellung der Impulsfolgefrequenz der dem Brückenzweig 11 zugeführten pulsmodulierten Spannung selbsttätig kompensiert. Im Regelfall werden die Impulsamplituden gleich groß sein, da die Monoflops 16 und 19 zwischen dem Massepotential und dem hohen Potential der - vorzugsweise stabilisierten -Versorgungsspannung umschalten. Dagegen hängen die Impulsdauern von den Einstellungen der Haltezeiten der Monoflops ab; unterschiedliche Impulsdauern können absichtlich zur Wahl eines gewünschten Arbeitspunktes im Frequenzänderungsbereich des spannungsgesteuerten Oszillators 18 eingestellt werden.
  • Alle Schaltungsbestandteile der Schaltung von F i g. 1 sind an sich bekannt und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Vorzugsweise werden für den Taktgeber 15, die Monoflops 16, 19,den spannungsgesteuerten Oszillator 18 und den Differenzverstärker 21 handelsübliche integrierte Schaltungen verwendet.
  • Der Integrator 22 und der PI-Regler 23 können durch Operationsverstärker mit geläufiger Beschaltung gebildet sein.
  • Die Eigenschaften und Kenngrößen der meisten verwendeten Schaltungsbestandteile sind nicht kritisch.
  • Insbesondere ist der spannungsgesteuerte Oszillator sowohl im Temperaturverhalten als auch hinsichtlich seiner Kennlinie unkritisch. Der einzige kritische analoge Baustein ist der für den Differenzverstärker 21 verwendete Operationsverstärker, dessen Offsettemperaturdrift gering sein muß.
  • Die Meßgenauigkeit der Brückenschaltungsanordnung von F i g. 1 hängt auch von der Frequenzkonstanz des Taktgebers 15 und der Stabilität der Haltezeiten der Monoflops 16 und 19 ab. Die im Handel erhältlichen Bausteine genügen in den meisten Fällen den gestellten Genauigkeitsanforderungen. Bei hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit kann es erforderlich sein, die Monoflops durch Pulsgeneratoren zu ersetzen, die eine größere Genauigkeit der Impulsdauer ergeben, indem die Impulsdauer beispielsweise durch einen gemeinsamen quarzstabilisierten Taktgeber bestimmt ist, dessen Frequenz sehr viel größer als die Impulsfolgefrequenz ist, so daß die Impulsdauer durch Abzählen einer vorgegebenen Anzahl von Perioden der höheren Frequenz festgelegt wird. Ein diesem Taktgeber nachgeschalteter Frequenzteiler kann auch zur Auslösung des Monoflops 16 dienen. Diese Lösung erfordert jedoch einen größeren Aufwand.
  • In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform der Brükkenschaltungsanordnung dargestellt, welche die Erzielung einer größeren Meßgenauigkeit mit geringerem Aufwand ermöglicht. Die Brückenschaltungsanordnung von Fig.3 hat weitgehend den gleichen Aufbau wie diejenige von Fig. 1. Soweit die Bestandteile der Brükkenschaltungsanordnung von Fig.3 denjenigen von F i g. 1 entsprechen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Die Brückenschaltung 1 von F i g. 3 besteht wieder aus den Widerständen 2,3,4,5, wobei der Widerstand 2 der zu messende Widerstand mit dem veränderlichen Widerstandswert Rx ist. Im Gegensatz zur Brückenschaltungsanordnung von F i g. 1 sind aber die Klemmen 7 und 8 miteinander verbunden, so daß sie den zweiten Eckpunkt 9 der Eingangsdiagonale bilden. Die Brückenschaltung 1 wird an der Eingangsdiagonale von einer Spannungsquelle 30 mit konstanter Spannung gespeist. Der Impulsmodulator 14 entfällt.
  • Im übrigen enthält die Brückenschaltungsanordnung von Fig.3 wieder den Impulsmodulator 17 mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 18 und dem Monoflop 19 sowie die Frequenzregelschaltung 20 mit dem an die Eckpunkte 12 und 13 der Brückenausgangsdiagonale angeschlossenen Differenzverstärker 21, dem Integrator 22 und dem PI-Regler 23. Diese Bestandteile haben den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie die entsprechenden Bestandteile der Schaltung von F i g. 1 und werden daher nicht noch einmal beschrieben.
  • Wie im Fall von Fig. 1 dient der Impulsmodulator 17 dazu, dem über den Brückenzweig 11 fließenden Strom eine Impulsmodulation aufzuprägen. Zu diesem Zweck steuert das Ausgangssignal des Monoflops 19 einen Schalter 31, der in Reihe mit einem Widerstand 32 parallel zum Widerstand 5 liegt. Wenn der Schalter 31 offen ist, liegt der Widerstand 5 allein im betreffenden Arm des Brückenzweigs 11. Wenn dagegen der Schalter 31 geschlossen ist, ist der Gesamtwiderstand durch die Parallelschaltung der beiden Widerstände 5 und 32 bestimmt und demzufolge kleiner. Der Schalter 31 ist nur symbolisch als mechanischer Kontakt dargestellt; in Wirklichkeit ist er durch einen elektronischen Schalter gebildet, beispielsweise durch einen Feldeffekttransistor.
  • Auch bei der Brückenschaltung von Fig.3 wird durch die Frequenzregelschaltung 20 die Impulsfolgefrequenz der vom Impulsmodulator 17 im Brückenzweig 11 bewirkten Pulsmodulation so eingestellt, daß der Mittelwert der Brückenausgangsspannung auf Null gebracht wird. Dies ist aus den Diagrammen von F i g. 4 ersichtlich, die die Spannungen an den Schaltungspunkten A, B, C für die gleichen Betriebszustände wie die entsprechenden Diagramme in F i g. 2 zeigen.
  • Da der Strom im Brückenzweig 10 nicht moduliert wird, ist die Spannung UA (Diagramm A) am Schaltungspunkt 12 eine durch das Teilerverhältnis der Widerstände 2 und 3 bestimmte Gleichspannung des Wertes MA.
  • Dagegen ist der Spannung UB am Schaltungspunkt 13 (Diagramm B)vom Pulsmodulator 17 eine Rechteckmodulation der Periode PB und der Impulsdauer TB aufgeprägt. Die Impulsfolgefrequenz ist so eingestellt, daß der Mittelwert MB gleich dem Spannungswert MA ist Die am Ausgang des Differenzverstärkers 21 erscheinende Brückenausgangsspannung Uc (Diagramm C) ist daher eine reine Wechselspannung mit dem Mittelwert Null.
  • Das Diagramm A' zeigt die Spannung UA am Schaltungspunkt 12, wenn der Widerstandswert Rx des zu messenden Widerstands 2 kleiner geworden ist. Der Spannungswert MA' hat sich entsprechend verringert.
  • Im Diagramm B' ist angenommen, daß die Spannung UB' zunächst noch unverändert geblieben ist. Daraus ergibt sich die im Diagramm C' dargestellte Brückenausgangsspannung Uc' die einen von Null verschiedenen Mittelwert Mc'hat.
  • Die Diagramme AH, BH, CHzeigen die Wirkung der Frequenzregelschaltung 20 bei der zuvor angegebenen Widerstandsänderung. Der Wert MA "der Spanung UA" (Diagramm A") ist gleich dem zuvor angenommenen Wert MA' im Diagramm A' Die Impulsfolgefrequenz und dementsprechend die Periode PBH der Spannung UB" (Diagramm B")ist durch die Frequenzregelung so geändert worden, daß der Mittelwert MB" gleich dem Spannungswert MA" ist. Die Brückenausgangsspannung Uc" (Diagramm C")hat daher wieder den Mittelwert Null; die Brücke ist durch die Frequenzregelung für den geänderten Widerstandswert Rx abgeglichen worden.
  • Wie bei der Brückenschaltungsanordnung von F i g. 1 ist die Impulsfolgefrequenz, also die Frequenz der Ausgangsspannung des Monoflops 19 (Ausgang 26) oder des spannungsgesteuerten Oszillators 18 (Ausgang 27), wieder ein Maß für den Widerstandswert Rx.
  • Die in F i g. 3 dargestellte Maßnahme zur Pulsmodulation des Stroms im Brückenzweig 11 ist natürlich nur als Beispiel anzusehen. Die Modulation kann auch auf andere Weise erfolgen. Beispielsweise wäre es möglich, den Widerstand 32 in Serie zum Widerstand 5 zu schalten und den Schalter 31 parallel zum Widerstand 32 anzuordnen. Andere Modulationsanordnungen sind für den Fachmann offensichtlich.
  • Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen war die Brückenschaltung eine Gleichstrombrücke mit ohmschen Widerständen Grundsätzlich können die beschriebenen Maßnahmen auch bei Wechselstrombrükken angewendet werden. Die Ausführungsform von F i g. 3 eignet sich unmittelbar für eine Wechselstrombrücke, wenn die Spannungsquelle 30 eine Wechselspannungsquelle ist und die Widerstände 2, 3, 4, 5, 32 Blind- oder Scheinwiderstände sind. Der Pulsmodulator 17 moduliert dann unmittelbar den über den Brückenzweig 11 fließenden Wechselstrom. Auch die Ausführungsform von F i g. 1 kann für eine Wechselstrombrükke verwendet werden, wenn die Pulsmodulatoren 14 und 17 in entsprechender Weise die über die Brückenzweige 10 und 11 fließenden Wechselströme modulieren, was beispielsweise sehr einfach dadurch geschehen kann, daß jedes Monoflop 16, 19 einen Schalter steuert, der zwischen die Klemme 7 bzw. 8 und eine Wechselstromquelle eingefügt ist.
  • Anstatt den Mittelwert der Brückenausgangsspannung auf den Sollwert Null einzuregeln, könnte die Frequenzregelschaltung auch so ausgebildet sein, daß sie diesen Mittelwert auf einen anderen konstanten Sollwert regelt; die Regelung auf den Sollwert Null ist jedoch am günstigsten und besonders einfach durchzuführen.

Claims (9)

  1. Patentansprüche: 1. Brückenschaltungsanordnung mit einer Brükkenschaltung, die zwei zur Eingangsdiagonale parallele gespeiste Brückenzweige hat, von denen mindestens einer eine zu messende Impedanz enthält, und mit einer an die Ausgangsdiagonale angeschlossenen Auswerteschaltung, die ein vom Wert der zu messenden Impedanz abhängiges Meßwertsignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulsmodulator (17) zur puisförmigen Modulation des durch einen (11) der beiden Brückenzweige (10, 11) fließenden Stroms mit konstanter Impulsdauer und veränderlicher Impulsfolgefrequenz vorgesehen ist, daß an die Ausgangsdiagonale eine Frequenzregelschaltung (20) angeschlossen ist, welche die Impulsfolgefrequenz derart beeinflußt, daß der Mittelwert der Brückenausgangsspannung auf einem vorgegebenen konstanten Sollwert gehalten wird, und daß ein vom Pulsmodulator (17) abgegebenes Signal mit der Impulsfolgefrequenz als Meßwertsignal verwendet wird.
  2. 2. Brückenschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzregelschleife (20) einen die Brückenausgangsspannung integrierenden Integrator (22) enthält.
  3. 3. Brückenschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsmodulator (17) einen spannungsgesteuerten Oszillator (18) enthält, dessen Frequenz durch die Frequenzregelschaltung geregelt wird und die Impulsfolgefrequenz bestimmt.
  4. 4. Brückenschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsmodulator (17) ein Monoflop (19) enthält, das durch das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (18) mit der Impulsfolgefrequenz getriggert wird.
  5. 5. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsförmige Ausgangsspannung des Pulsmodulators (17) als Speisespannung an den Brückenzweig (11) angelegt wird.
  6. 6. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenzweig (11) durch eine unmodulierte Spannung gespeist ist und daß die pulsförmige Ausgangsspannung des Pulsmodulators (17) einen den Stromfluß durch den Brückenzweig (11) beeinflussenden Schalter (31) betätigt.
  7. 7. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen zweiten Pulsmodulator (14) zur pulsförmigen Modulation des durch den anderen Brückenzweig (10) fließenden Stroms mit konstanter Impulsdauer und konstanter Impulsfolgefrequenz.
  8. 8. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Brückenzweig (10) durch eine unmodulierte Spannung gespeist ist.
  9. 9. Brückenschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Sollwert, auf dem die Brükkenausgangsspannung gehalten wird, der Wert Null ist.
    Die Erfindung bezieht sich auf eine Brückenschaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
    Brückenschaltungsanordnungen dieser Art werden insbesondere im Zusammenhang mit Sensoren betrieben, deren Impedanz sich in Abhängigkeit von einer zu messenden nichtelektrischen Größe (Druck, - Kraft, Temperatur usw.) ändert, um direkt ein den Impedanzwert kennzeichnendes Meßwertsignal für die Weiterverarbeitung zu erhalten. Ein besonders verbreitetes Anwendungsgebiet sind Dehnungsmeßstreifen (DMS) bei Druck- oder Kraftmeßeinrichtungen. Bei-den für diesen. Zweck üblicherweise verwendeten Brückenschaltungsanordnungen ist das von der Auswerteschaltung gelieferte Meßwertsignal ein Analogsignal, das der an der Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung beim Fehlabgleich auftretenden Brückenausgangsspannung proportional ist Die Auswerteschaltungen enthalten entweder driftarme Gleichspannungsverstärker oder Chopperverstärker oder sie sind nach dem Trägerfrequenzverfahren aufgebaut. Da die Brückenausgangsspannungen sehr klein sind, z. B. typ. 2 mV/V bei Metall-Dehnungsmeßstreifen, sind die Schaltungen aufwendig und teuer, vor allem wenn erhöhte Ansprüche an den Temperaturbereich der Bauteile gestellt werden. Ferner eignen sich die analogen Meßwertsignale nicht unmittelbar für eine digitale Signalverarbeitung.
    Bei einer aus der DE-PS 15 91 988 bekannten Brükkenschaltungsanordnung ist die Auswerteschaltung so ausgebildet, daß sie die Verstimmung der Brückenschaltung in eine dazu parallele Frequenzänderung eines RC-Oszillators umwandelt. Zu diesem Zweck ist an die Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung eine Spannungsregelschleife angeschlossen, die eine variable Kompensationsspannung erzeugt, die der Brückenausgangsspannung gegengeschaltet wird, so daß die Differenz zwischen den beiden Spannungen zu Null gemacht wird.
    Die Spannungsregelschleife enthält einen im Eingangskreis eines Operationsverstärkers liegenden-steuerbaren Widerstand, dessen Widerstandswert der Kompensationsspannung proportional ist. Der steuerbare Widerstand ist gleichzeitig ein Bestandteil des frequenzbestimmenden Netzwerks des -RC-Oszillators, der somit ein Meßwertsignal liefert, dessen Frequenz von der Kompensationsspannung und somit von der Verstimmung der Brückenschaltung abhängt. Dieses Meßwertsignal ist für eine digitale Signalverarbeitung geeignet, doch entsteht es nur indirekt durch Umwandlung aus der analogen Brückenausgangsspannung.
    Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brükkenschaltungsanordnung, die bei einfachem Aufbau unmittelbar ein für die digitale Signalverarbeitung geeignetes Meßwertsignal liefert, das den zu messenden Impedanzwert mit großer Genauigkeit widergibt.
    Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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