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Schaltungsanordung und Verfahren zur genauen Messung der Widerstands
änderung eines veränderbaren Widerstandes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
und ein Verfahren zur genauen Messung der Widerstandsänderung eines veränderbaren
Widerstandes, z. B. eines Dehnungsmeßstreifens, der mit einem unveränderbaren oder
anderen veränderbaren Widerstand in Reihe in einer Brückenschaltung liegt und bei
der die äußeren Enden der Brückenmeßzweige mit den äußeren Enden der in Reihe geschalteten
Widerstände über Doppelleitungen verbunden sind.
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Zur Messung von Dehnungen mittels Widerstandsänderungen wird im allgemeinen
eine Wheatstoneschaltung verwendet. Sofern die Zuleitungen zwischen Geber und Meßkasten
kurz sind und nur an einem Meßpunkt zu messen ist, geht dies sehr gut. Schwierigkeiten
entstehen aber, wenn die Zuleitungen lang oder mehrere Meßpunkte mit demselben Meßkasten
zu messen sind und deswegen Umschalter in den Zuleitungen benötigt werden. Bei Messungen
mit Dehnungsstreifen (Gebern) ist im allgemeinen eine Meßgenauigkeit der Dehnung
von ungefähr Io-8 erwünscht, was eine Meßgenauigkeit der relativen Widerstandänderung
d RIR von ungefähr 2 Io-8 bedeutet. Da der Widerstand R des Gebers häufig die Größenordnung
von IOO Ohm hat, so wären somit Änderungen von R mit einer Genauigkeit von ungefähr
Io-4 Ohm zu messen. Da in einer gewöhnlichen Wheatstoneschaltung die Widerstände
der Umschalter und der Zuleitungen in Reihe mit den Widerständen der
Geber
liegen, müssen die Änderungen der ersteren kleiner als Io-4 Ohm sein, was sehr schwer
zu erfüllen ist.
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Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, soll die Meßbrücke derart
geschaltet werden, daß die Leitungen und die Umschalter zwischen dem Geber (oder
den Gebern) und den Brückenzweigen des Meßkastens nur wenig Strom führen, so daß
schädliche NAtiderstandsänderungen in denselben keinen wesentlichen Spannungsfehler
verursachen. Ein solcher stromloser Leiter zwischen Geber und Meßkasten kann durch
Anwendung besonders angeordneter Doppelleitungen geschaffen werden, von denen die
eine Leitung stromführend und die andere beinahe stromlos ist. Bekannt sind z. B.
bei einer Thomsonbrückenschaltung doppelte Zuleitungen zu den zu vergleichenden
Widerständen, um die Widerstände der Zuleitungen und die Üb ergangswiderstände zu
kompensieren. Bei der gewöhnlichen Ausführungsform dieser Schaltung enthält die
stromführende Leitung einstellbare Widerstände und die stromlose Leitung einen Unterbrecher.
Bei der Abgleichung dieser Brückenschaltung werden die Teilbrücken unter abwechselndem
Schließen und Öffnen des Unterbrechers schrittweise abgeglichen.
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Besonders bei doppelten Kelvinbrücken ist diese Einstellung sehr langwierig.
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Bei einer besonderen Ausführungsform dieser Schaltung sind die im
allgemeinen einstellbaren Widerstände der stromführenden Leitung durch feste Widerstände
ersetzt. Dadurch wird die Schaltung für einen einzigen Widerstandswert annähernd
kompensiert. Das Kompensieren für andere Werte des Geberwiderstandes kann nur unter
großen Schwierigkeiten durchgeführt werden.
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Der wesentliche Nachteil der Kelvinbrücken liegt in der Schwierigkeit
der Abgleichung der verschiedenen Teilbrücken. Nach den bekannten Verfahren kann
man entweder mathematisch oder empirisch vorgehen.
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Bei dem mathematischen Verfahren mißt man die Widerstandswerte der
beiden zu vergleichenden Widerstände und berechnet die übrigen in die Brücke eingehenden
Widerstände. Dabei können einige Widerstände beliebig sein, sie müssen dann aber
gemessen werden. Die Widerstände werden danach hergestellt und in die Brückenschaltung
eingeführt. Die Brücke ist dann für diese einzigen Widerstände kompensiert, so daß
bei Änderung der Widerstände der Zuleitungen oder der zu messenden Widerstände die
Kompensation nicht mehr richtig ist. Außerdem kann die Richtigkeit der Widerstandsberechuungen
und deren Ausführung in der Schaltung nicht überprüft werden. Auch sind bei Messung
von verschieden großen Widerständen die vorzunehmenden Änderungen der Brücke sehr
zeitraubend.
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Bei dem empirischen Verfahren wird der Unterbrecher in der stromlosen
Leitung abwechselnd geöffnet und geschlossen und die Widerstände der Hauptbrücke
bzw. die seitlichen Teilbrücken abwechselnd so eingestellt, daß ein eingeschalteter
Strommesser j eweils Null anzeigt. Die einzelnen Teilbrücken können also nicht unabhängig
voneinander kompensiert werden, sondern sind voneinander abhängig. Daher kann die
endgültige Einstellung der Kompensation nur schrittweise angenähert werden, was
sehr langwierig ist und viel Mühe verursacht.
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Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß in
je einem Zweig der Doppelleitungen ein Strommesser und in je einem anderen Zweig
ein Schleifkontaktwiderstand eingeschaltet ist, an dessen Schleifkontakt eine Leitung
zu der Stromquelle der Brückenschaltung anschließbar und der so einzustellen ist,
daß der Ausschlag des Strommessers im anderen Zweig verschwindet und der Strommesser
vor der Widerstandsmessung kurzgeschlossen ist.
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Mit einer derartigen Schaltungsanordnung können die Teilbrücken in
einem einzigen Schritt nacheinander eingestellt werden. Nur wenn die Widerstände
der beiden stromlosen Leitungen sehr groß sind, müssen die beiden Seitenbrücken
nachgestellt werden. Die wesentlichsten Vorteile der neuen Vorrichtung sind: Die
Abgleichung der Brückenschaltung kann schnell und genau ausgeführt werden; die Brücke
ist für alle Widerstandswerte der zu vergleichenden Widerstände verwendbar, und
die richtige Einstellung kann nachgeprüft und leicht nachgestellt werden, wenn irgendein
Widerstand sich verändert hat.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen mit Schaltbildern für
verschiedene Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Dabei sind gleiche Teile in
den einzelnen Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In einer Wheatstoneschaltung gemäß Fig. I liegen zwei Widerstände
I und 2 in Reihe, von denen mindestens der eine einen Dehnungsmeßstreifen bilden
kann. Die Widerstände sind nahe nebeneinander angeordnet, damit die Leitung zwischen
ihnen verhältnismäßig kurz ist. Dagegen kann die Entfernung von dem in einem Meßkasten
angebrachten übrigen Teil der Brückenschaltung groß sein, nämlich den Zweigen 3
des Meßdrahtes und dem Nullinstrument 4.
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Die äußeren Enden der in Reihe geschalteten Widerstände I und 2 sind
mut den Enden der Meßzweige 3 über Doppelleitungen 5 und 6 verbunden. Die eine Leitung
5 ist mit einem Strommesser 7 und die andere Leitung 6 mit einem Widerstand 8 mit
Schleifkontakt versehen. An diesen Schleiflontakt ist eine Leitung 9 zur Brückenstromquelle
angeschlossen, für die Gleich-oder Wechselstrom in Betracht kommt. Der Schleifkontakt
soll derart eingestellt werden, daß der Ausschlag des Strommessers 7 Null wird.
Dabei wird das Potential am Ende des einen Widerstandes I oder 2 dasselbe wie das
Potential an dem entsprechenden Ende der Meßzweige 3, so daß das Meßergebnis von
den Längen und Widerständen der Leitungen 5 und 6 unabhängig wird. Vor der Widerstandsmessung
wird der Strommesser 7 kurzgeschlossen.
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Nach Fig. 2 sind die Brückenzweige der Meßbrücke als in Reihe geschaltete
Widerstände ausgeführt, die Seitenwiderstände 10 und II zu beiden Seiten des kontinuierlich
einstellbaren Potentiometers 12 der Meßbrücke bilden. Die Doppelleitungen 5 und
6 sind an diese Seitenwiderstände mittels versetzbarerDoppelkontakte I3 angeschlossen.
Die Doppelkontakte jedes Seitenwiderstandes 10 und II sind mechanisch gekoppelt,
so daß bei schrittweiser Versetzung der beiden Doppelkontakte die Zuschaltung auf
der einen Seite
des Potentiometers gleich der Abschaltung auf der
anderen Seite ausfälIt. Die Widerstände der in Reihe geschalteten Teilwiderstände
in den Seitenwiderständen sollen gleich groß sein, und zwar ebenso groß wie der
Widerstand, der dem Meßbereich des Potentiometers entspricht. Diese Anordnung ermöglicht
es, den verwendbaren Bereich für genaue Messung von Widerstandsänderungen unter
Wahrung der Meßgenauigkeit auf große Unterschiede in den Widerstandswerten der Widerstände
I und 2 zu erweitern.
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Nach Fig. 3 sind zwischen Seitenwiderstände 10 und 11 und Potentiometer
12 feste Widerstände 14 eingeschaltet. Über diese sind stufenweise veränderliche
Nebenschlußwiderstände 15 und I6 geschaltet, deren Stufenänderung einer Änderung
von zehn Stufen in den Seitenwiderständen IO und 11 entspricht. Die Betätigungsorgane
für die Nebenschlußwiderstände 15 und I6 sind mechanisch derart gekoppelt, daß bei
stufenweiser Verschiebung die Widerstandszuschaltung bei der Widerstandskombination
I4, I5 gleich der Abschaltung bei der anderen Widerstandskombination 14, 16 wird.
Dies hat den Vorteil, daß der Meßbereich noch weiter vervielfältigt wird, ohne die
Meßgenauigkeit hintanzusetzen.
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Im übrigen kann nach Fig. 3 das Potentiometer 12 von einem Widerstand
I7 überbrückt sein, der eine Angleichung des Widerstandes des Potentiometers an
den Widerstand der Teilwiderstände in den Seitenwiderständen IO und II gestattet.
Dies ist bedeutungsvoll, wenn das Potentiometer abgenutzt und sein Widerstand dadurch
verändert wird.
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In Fig. 4 handelt es sich um jenen Fall, in dem die Widerstände I
und 2 großen Abstand voneinander und von dem Meßdraht 3 haben. Dabei dienen als
Verbindung zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen I und 2 zwei Doppelleitungen
I8 und I9.
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Der eine Leiter I8 in jeder Doppelleitung ist an zwei in Reihe geschaltete
gleich große Widerstände 20 geschaltet, zwischen denen eine Leitung 21 zu dem Nullinstrument
4 angeschlossen ist. Wegen der Widerstände 20 wird durch eine Änderung des Widerstandes
der Doppelleitungen 18 und 19 das Meßergebnis praktisch nicht beeinflußt.
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Fig. 5 zeigt zwischen den stromführenden Leitern 6 und 19 zu den
Widerständen I und 2 einen festen Nebenschlußwiderstand 22 und einen veränderbaren,
23. Der veränderbare Widerstand 23 soll über den passiven Widerstand 2 eingeschaltet
sein. Dies hat den Zweck, daß die Korrektur des Geberfaktorsfür den Nebenschlußwiderstand
22 für sämtliche umschaltbare aktive Geber (I,I1 usw.) gleich wird. In der Praxis
werden zweckmäßig die Widerstände der aktiven Geber von Anfang an durch Wahl der
wählbaren Anzapfungen des Widerstandes 23 kompensiert, so daß die Anfangseinstellungen
des Meßkastens für die verschiedenen Geber wenig voneinander abweichen.
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Um verschiedene passive Widerstände wählen zu können, kann ein Umschalter
02 in der gleichen Weise angewendet werden wie ein Umschalter Ol für die Wahl der
aktiven Geber.
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Der Zweck der Erfindung ist auch mit zwei Stromquellen zu erreichen,
von denen die eine nur die Widerstände I und 2 und die andere den Meßdraht 3 speist.
Dabei werden die beiden Spannungen derart eingestellt, daß der Leiter 5 mit dem
Strommesser 7 stromlos wird. Der Widerstand 8 wird dann überflüssig.
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Ein Verfahren zur Ausführung des Eldindungsgedankens besteht darin,
die Leitungen. 5 durch Einstellen der Schleifkontakte der Widerstände 8 stromlos
zu machen, wonach anschließend nach vorherigem Kurzschließen des Strommessers 7
die Brücke durch Einstellen des Potentiometers 12 und gegebenenfalls durch Versetzen
der Seitenwiderstände IO, II, 15 und I6 ausgewogen wird.
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PATENTANSPRCHE: I. Schaltungsanordnung zur genauen Messung der Widerstandsänderung
eines veränderbaren Widerstandes, z. B. eines Dehnungsmeßstreifens, der mit einem
unveränderbaren oder anderen veränderbaren Widerstand in Reihe in einer Brückenschaltung
liegt und bei der die äußeren Enden der Brückenmeßzweige mit den äußeren Enden der
in Reihe geschalteten Widerstände über Doppelleitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß in je einem Zweig der Doppelleitungen ein Strommesser (7) und in je einem anderen
Zweig (6) ein Schleifkontaktwiderstand (8) eingeschaltet ist, an dessen Schleifkontakt
eine Leitung (9) zu der Stromquelle der Brückenschaltung anschließbar und der so
einzustellen ist, daß der Ausschlag des Strommessers (7) im Zweig (5) verschwindet
und der Strommesser vor der Widerstandsmessung kurzgeschlossen ist.