DE102004052795B3

DE102004052795B3 - Measurement bridge circuit for three-wire circuit, has standard resistors arranged in control unit, such that voltage is developed at one resistor corresponding to voltage drop at feeder lines, where drop is added to feeder voltage portion

Info

Publication number: DE102004052795B3
Application number: DE200410052795
Authority: DE
Inventors: Dieter Seidenstücker
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2024-11-03

Abstract

The circuit has an electronic control unit provided as current source at an output of an amplifier unit (6), where source current of the control unit is propositional to a feeder line loss. Two standard resistors (R1, R2) are serially arranged in the control unit, such that a voltage is developed at the resistor (R2) which corresponds to voltage drop at feeder lines, where the drop is added to feeder voltage portion at a quarter bridge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messbrückenschaltung in mindestens Dreileitertechnik mit Ausregelung der Leitungseinflüsse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a measuring bridge circuit in at least three-wire technology with compensation of the line influences according to the preamble of Patent claim 1.

Beim Einsatz von Dehnungsmeßstreifen zur Messwerterfassung werden diese meist mit Kompensationsdehnungsmeßstreifen oder Ergänzungswiderständen zu einer Wheatstone'schen-Brücke verschaltet. Insbesondere wenn Einzeldehnungsmessstreifen über längere Leitungswege mit den übrigen Brückenzweigen zu einer sogenannten Viertel-Brücke verbunden werden, können die Leitungswiderstände zu Spannungsabfällen führen, die die Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigen. Dabei hängen die Spannungsabfälle im wesentlichen von den Leitungslängen und Querschnitten zwischen den Dehnungsmessstreifen und den übrigen Ergänzungswiderständen und auch von den Umgebungstemperaturen ab. Bei Messaufgaben, bei denen es nicht möglich oder sinnvoll ist, die Dehnungsmessstreifen in der Nähe der Brückenergänzung anzuordnen, kann der Einfluss dieser Spannungsabfälle durch schaltungstechnische Maßnahmen minimiert werden.At the Use of strain gauges for measured value acquisition these are usually with compensation strain gauges or supplementary resistors connected to a Wheatstone bridge. Especially if single strain gauges over longer cable paths with the remaining bridge branches to a so-called quarter bridge can be connected the line resistance to voltage drops to lead, which significantly affect the measurement accuracy. The hang brownouts essentially of the line lengths and cross sections between the strain gauge and the other supplementary resistors and also from the ambient temperatures. For measuring tasks in which it is not possible or it makes sense to arrange the strain gauges in the vicinity of the bridge supplement, can the influence of these voltage drops by circuitry activities be minimized.

Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse, Düsseldorf 1989, Seiten 674 bis 676 ist eine Viertel-Brücke in sogenannter Dreileitertechnik vorbekannt, durch die derartige Spannungsabfälle in den Anschlussleitungen messtechnisch berücksichtigt werden. Dazu wird der Dehnungsmessstreifen über zwei Zuleitungen mit den Ergänzungswiderständen und der Speisespannungsquelle verbunden. Über eine dritte Anschlussleitung wird in die Messdiagonale der Brücke ein Opera tionsverstärker geschaltet, so dass dadurch die beiden Spannungsabfälle in verschiedenen Brückenzweigen wirksam werden und sich bei gleicher Größe kompensieren. Hierdurch sind zwar die Nullpunktfehler vermeidbar, aber der Einfluss auf die Empfindlichkeit kann damit nicht beseitigt werden.Out the Rohrbach, manual for Experimental Stress Analysis, Dusseldorf 1989, pages 674 to 676 is a quarter bridge in so-called three-wire technology previously known, by such voltage drops in the connecting cables metrologically considered become. For this purpose, the strain gauge over two leads with the Supplementary resistors and connected to the supply voltage source. About a third connection line is into the measurement diagonal of the bridge a Opera tion amplifier switched, so that thereby the two voltage drops in different Bridge branches effective and compensate for the same size. As a result, although the zero errors are avoidable, but the influence on the sensitivity can not be eliminated.

Eine Messbrückenschaltung in Dreileitertechnik mit Speisespannungsnachregelung ist aus der DE 199 57 088 A1 bekannt, die einen Empfindlichkeitsverlust der Messschaltung vermeidet. Dabei ist der Dehnungsmessstreifen als Viertelbrücke geschaltet, der über zwei Anschlussleitungen mit einer Speisespannungsquelle und einem Ergänzungswiderstand verbunden ist. Eine dritte Anschlussleitung ist vorgesehen, um den Dehnungsmessstreifen mit einem Operationsverstärker in der Messdiagonalen zur Messsignalerfassung zu verbinden. Zwischen der dritten Anschlussleitung, die als stromlose Fühlerleitung geschaltet ist, und der zweiten Anschlussleitung, die den Dehnungsmessstreifen mit dem Ergänzungswiderstand verbindet, ist ein Differenzverstärker geschaltet, der den Leitungsspannungsabfall auf der dritten Anschlussleitung erfasst, mit dem Faktor 2 verstärkt und der Speisespannung zuschlägt. Dadurch wird gleichzeitig der Speisespannungsverlust auf der ersten und zweiten Anschlussleitung kompensiert, und dies ohne dass dadurch die Messempfindlichkeit verringert wird. Allerdings ist der Spannungsabfall insbesondere bei längeren Anschlussleitungen nicht immer auf jeder Speiseleitung gleich, so dass durch die Verdopplung des Leitungsverlusts auf einer Anschlussleitung Messungenauigkeiten entstehen können.A measuring bridge circuit in three-wire technology with supply voltage readjustment is from the DE 199 57 088 A1 known, which avoids a loss of sensitivity of the measuring circuit. In this case, the strain gauge is connected as a quarter bridge, which is connected via two connecting cables to a supply voltage source and a supplementary resistor. A third connecting lead is provided to connect the strain gauge to an operational amplifier in the measuring diagonal for measuring signal detection. Between the third connecting line, which is connected as a currentless sensor line, and the second connecting line, which connects the strain gauge with the supplementary resistance, a differential amplifier is connected, which detects the line voltage drop on the third connecting line, amplified by a factor of 2 and the supply voltage strikes. This compensates, at the same time, the supply voltage loss on the first and second connecting leads, without thereby reducing the measuring sensitivity. However, the voltage drop is not always the same on each supply line, especially for longer connecting lines, so that measurement inaccuracies can occur due to the doubling of the line loss on a connecting line.

Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse, Seite 676 ist eine sogenannte Vierleiterschaltung vorbekannt, mit der auch unterschiedliche Speiseleitungsverluste ausregelbar sind. Dazu ist ein in Viertelbrückenschaltung geschalteter Dehnungsmessstreifen über vier Zuleitungen mit den übrigen Brückenelementen verbunden, wobei der Spannungsabfall auf der einen Speiseleitung durch einen Operationsverstärker zwischen der Speiseleitung und einer Fühlerleitung ausgeglichen wird. Weiterhin sind zwischen einer weiteren Speiseleitung und einer Messleitung noch zwei Operationsverstärker vorgesehen, die den Spannungsabfall auf der zweiten Speiseleitung durch eine zusätzliche interne Halbbrücke symmetrisch auf die beiden Brückenzweige verteilen und die Speisespannung um den Spannungsabfall auf dieser Speiseleitung entsprechend erhöhen, so dass auch die Empfindlichkeitseinbuße vermieden wird. Allerdings gibt es häufig Anwendungsfälle, bei denen sehr große Messstellenzahlen vorkommen, wie z. B. bei der Strukturanalyse von Flugzeugteilen, wo der Bauteileaufwand durch die Speisespannungsnachregelung in jedem Verstärkerkanal groß wird.Out the Rohrbach, manual for Experimental Stress Analysis, page 676 is a so-called four-wire circuit previously known, with the also different supply line losses are adjustable. This is a switched in quarter-bridge circuit Strain gauge over four leads with the rest bridge elements connected, whereby the voltage drop on the one feed line through an operational amplifier is compensated between the feed line and a sensor line. Farther are between another feed line and a test lead two more operational amplifiers provided that the voltage drop on the second supply line through an additional internal half-bridge symmetrical on the two bridge branches distribute and the supply voltage to the voltage drop on this Increase supply line accordingly, so that the sensitivity loss is avoided. Indeed there are often Use cases, where very large Measuring point numbers occur, such. B. in the structural analysis of Aircraft parts, where the component costs due to the supply voltage readjustment in each amplifier channel gets big.

Eine weitere Messbrückenschaltung in Vierleitertechnik ist aus der DE 101 20 983 A1 bekannt, die nur eine globale Speisespannungsversorgung für eine Vielzahl von Verstärkerbaugruppen benötigt. Dazu ist ein Dehnungsmessstreifen über vier Anschlussleitungen mit einer lokalen verstärkerseitigen Messbrückenschaltung verbunden. Die lokale Messbrückenschaltung enthält zwischen einer ersten Speiseleitung und einer ersten stromlosen Fühlerleitung einen Operationsverstärker, der den Spannungsabfall auf der ersten Speiseleitung eingangsseitig erfasst und ausgangsseitig diesen Spannungsabfall der Sollspeisespannung aufaddiert. Zwischen der zweiten Speiseleitung des Dehnungsmessstreifens und einer zweiten stromlosen Fühlerleitung ist eine Differenzverstärkerschaltung vorgesehen, die den Spannungsabfall auf der zweiten Speiseleitung erfasst und ausgangsseitig einer Additionsschaltung zuführt, die diesen Spannungsabfall der Speisespannungsversorgung der internen Viertelbrücke aufaddiert, wodurch der Spannungsverlust auf der zweiten Speiseleitung des Dehnungsmessstreifens kompensiert wird. Bei dieser Messbrückenschaltung wird die Additionsschaltung nur schematisch als Funktionseinheit dargestellt und beschrieben.Another measuring bridge circuit in four-wire technology is from the DE 101 20 983 A1 which requires only one global power supply for a variety of amplifier assemblies. For this purpose, a strain gauge is connected via four connection lines to a local amplifier-side measuring bridge circuit. The local measuring bridge circuit contains an operational amplifier between a first supply line and a first currentless sensor line, which detects the voltage drop on the first supply line on the input side and adds on the output side this voltage drop of the nominal supply voltage. Between the second supply line of the strain gauge and a second currentless sensor line, a differential amplifier circuit is provided which detects the voltage drop on the second supply line and the output side of an addition circuit which adds this voltage drop of the supply voltage supply of the internal quarter bridge, whereby the voltage loss on the second Supply line of the strain gauge is compensated. In this measuring bridge circuit, the addition circuit is shown and described only schematically as a functional unit.

In der tatsächlichen Realisierung besteht diese Additionsschaltung aber aus einem Differenzverstärker mit vorgeschalte ten Impedanzwandlern, die aus dem Tietze-Schenk, 11. Auflage, Berlin-Heidelberg 1999, Seite 1191, 22.3 bekannt ist, mit der die Differenz zwischen der zweiten Fühlerleitung und der zweiten Speiseleitung ermittelt wird. Diese Differenzspannung stellt dabei den Speisespannungsabfall auf der zweiten Speiseleitung dar, der über den Differenzverstärker der Soll-Speisespannung des Ergänzungswiderstands der internen Viertel brücke zugeschlagen wird und damit auch den Spannungsabfall auf dieser zweiten Speiseleitung separat ausregelt. Wegen der verhältnismäßig hohen Gleichtaktspannung an diesen Differenzverstärker, die der Hälfte der Speisespannung entspricht, ist aufgrund der hohen Messgenauigkeitsanforderungen eine genaue Gleichtaktunterdrückung notwendig. Dies erfordert bei dem Dif ferenzverstärker, der als Subtrahierer mit einem Operationsverstärker und vier gleichen Widerständen ausgebildet ist, ei ne sehr geringe Paarungstoleranz der Widerstände, so dass dafür nur kostenaufwändige Messwiderstände einsetzbar sind. Da derartige Messschaltungen insbesondere zur Strukturanalyse von Flugzeugteilen mit zum Teil mehreren tausend Messstellen eingesetzt werden, erfordert dies häufig einen nicht vertretbaren Kostenaufwand.In the actual implementation of this addition circuit but consists of a differential amplifier with upstream th impedance converters, the Tietze-Schenk, 11th edition, Berlin-Heidelberg 1999, page 1191, 22.3 is known, with which the difference between the second sensor line and the second supply line is determined. This differential voltage represents the supply voltage drop on the second supply line, which is added via the differential amplifier of the desired supply voltage of the supplementary resistance of the internal quarter bridge and thus also adjusts the voltage drop on this second supply line separately. Because of the relatively high common mode voltage across this differential amplifier, which is half the supply voltage, accurate common mode rejection is necessary due to the high accuracy of measurement requirements. This requires in the Dif reference amplifier, which is designed as a subtractor with an operational amplifier and four equal resistances, ei ne very low mating tolerance of the resistors, so that only costly measuring resistors can be used. Since such measuring circuits are used in particular for the structural analysis of aircraft parts with sometimes several thousand measuring points, this often requires an unreasonable cost.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine hochgenaue Messbrückenschaltung zu schaffen, durch die auch längere Anschlussleitungen kompensierbar sind.Of the The invention is therefore based on the object, a high-precision measuring bridge circuit through which also longer Connecting cables are compensated.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by the invention specified in claim 1 solved. Further developments and advantageous embodiments are in the dependent claims specified.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Vermeidung eines Differenzverstärkers in der lokalen Messbrückenschaltung statt der vier kostenintensiven Präzisionswiderstände pro Messkanal nur noch zwei kostengünstige Standardwiderstände notwendig sind, die nur einen Bruchteil des Kostenaufwands der Präzisionswiderstände erfordern und damit den Aufwand der gesamten Messbrückenschaltung erheblich verringern. Dadurch wird gleichzeitig Einbauraum auf den Messkanalplatinen eingespart, der beim Einsatz einer Vielzahl von Messverstärkerkanälen einen zusätzlichen Vorteil bedeutet.The Invention has the advantage that by avoiding a differential amplifier in the local measuring bridge circuit instead of the four costly precision resistors per Measuring channel only two cost-effective standard resistors necessary, which require only a fraction of the cost of precision resistors and thus considerably reduce the effort of the entire measuring bridge circuit. This saves installation space on the measuring channel boards at the same time, when using a variety of amplifier channels an additional Advantage means.

Die erfindungsgemäße Messbrückenschaltung hat weiterhin den Vorteil, dass trotz der Verwendung von Standardwiderständen die Messgenauigkeit erhöht wird, da durch die Stromquellensteuerung die Leitungsverluste streng proportional ausregelbar sind, ohne dass eine Gleichtaktaussteuerung auftritt, deren Unterdrückung bei vertretbarem Aufwand nur mit einem erheblich größeren Fehler möglich ist, der insbesondere bei geringen Differenzspannungen verhältnismäßig groß wird.The Measuring bridge circuit according to the invention has the further advantage that despite the use of standard resistors the Measurement accuracy increased because of the power source control, the line losses are severe proportional ausregelbar are, without a common mode modulation occurs, their suppression At justifiable expense only with a significantly larger error possible is that is relatively large, especially at low differential voltages.

Durch die erfindungsgemäße Messbrückenschaltung sind nicht nur die Leitungswiderstandsverluste, sondern vorteilhafterweise auch Anschaltverluste kompensierbar, die insbesondere durch Halbleiterschalter entstehen, durch die andere Widerstandskombinationen an die Messverstärkerschaltung anschaltbar sind. Vorteilhafterweise ist es durch die Verwendung von bipolaren Stellgliedern zur Steuerung des Quellenstroms möglich, die Messbrückenschaltung nicht nur mit einer Gleichspannungsversorgung, sondern auch mit einer Trägerfrequenzspeisung zu betreiben.By the measuring bridge circuit according to the invention are not only the line resistance losses, but advantageously Also Anschaltverluste compensated, in particular by semiconductor switches caused by the other resistor combinations to the sense amplifier circuit can be switched on. Advantageously, it is by use of bipolar actuators for controlling the source current possible, the Measuring bridge circuit not only with a DC power supply, but also with a carrier frequency supply to operate.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The Invention is based on an embodiment, which is shown in the drawing, explained in more detail. Show it:

1: eine Messbrückenschaltung in Vierleitertechnik mit als Stromquelle geschaltetem Verstärkerelement zur Ausregelung der Speiseleitungsabfälle im Ergänzungs-Viertelbrückenzweig; 1 : a measuring bridge circuit in four-wire technology with a switched as a current source amplifier element for the control of the feed line waste in the supplementary quarter bridge branch;

2: eine Messbrückenschaltung in Vierleitertechnik mit als Stromquelle geschaltetem Verstärkerelement zur Ausregelung der Speiseleitungsabfälle im Dehnungsmessstreifen-Viertelbrückenzweig; 2 : a measuring bridge circuit in four-wire technology with a switched as a current source amplifier element for the control of the feed line waste in the strain gauge quarter bridge branch;

3: eine Messbrückenschaltung in Dreileitertechnik mit als Stromquelle geschaltetem Verstärkerelement zur Ausregelung der Speiseleitungsabfälle im Ergänzungs-Viertelbrückenzweig, und 3 a measuring bridge circuit in three-wire technology with a switched as a current source amplifier element for the control of the feed line waste in the supplementary quarter bridge branch, and

4: eine Messbrückenschaltung in Dreileitertechnik mit als Stromquelle geschaltetem Verstärkerelement zur Ausregelung der Speiseleitungsabfälle im Dehnungsmessstreifen-Viertelbrückenzweig. 4 A three-wire measuring bridge circuit with an amplifier element connected as a current source for regulating the feed line waste in the strain gauge quarter bridge branch.

In 1 der Zeichnung ist eine Messbrückenschaltung zur Kompensation der Speiseleitungsverluste in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung dargestellt. Die Messbrückenschaltung besteht dabei im wesentlichen aus einem extern angeordneten Dehnungsmessstreifen DMS, der als Dehnungsmessstreifen-Viertelbrücke geschaltet ist und über vier Anschlussleitungen 1, 1', 2, 2' mit einer lokalen Verstärkerschaltung 9 verbunden ist. Dabei ist die lokale Verstärkerschaltung 9 noch an einen globalen verstärkerseitigen Messschaltungsteil 10 angeschlossen, in dem eine interne Ergänzungshalbbrücke 8 und eine Speisespannungsversorgung vorgesehen ist. Die globale interne Ergänzungshalbbrücke 8 besteht aus zwei gleichartigen Messwiderständen R_HB. Parallel dazu ist eine Generatorschaltung G als Speisespannungsversorgung angeordnet, die die Messbrückenschaltung mit einer Gleichspannung oder gegebenenfalls mit einer Trägerfrequenzspannung versorgt.In 1 The drawing shows a measuring bridge circuit for compensating the supply line losses in a Wheatstone bridge circuit. The measuring bridge circuit consists essentially of an externally arranged strain gage DMS, which is connected as a strain gauge quarter bridge and four connection lines 1 . 1' . 2 . 2 ' with a local amplifier circuit 9 connected is. It is the local amplifier circuit 9 nor to a global amplifier-side measuring circuit part 10 connected in which an internal supplementary half-bridge 8th and a supply voltage supply is provided. The global internal supplementary half-bridge 8th consists of two identical measuring resistors R _HB . In parallel, a generator circuit G is arranged as a supply voltage supply, which supplies the measuring bridge circuit with a DC voltage or optionally with a carrier frequency voltage.

Während für jede Dehnungsmessstreifen-Viertelbrücke 7 eine separate lokale Messschaltung 9 vorgesehen sein muss, ist der globale Messschaltungsteil 10 einer Vielzahl von Messkanälen zugeordnet und vorzugsweise und mit diesem parallel geschaltet oder über separate Schaltelemente den Messkanälen zuschaltbar. So ist es möglich, für viele parallel arbeitende Messkanäle nur einen globalen internen Messschaltungsteil 10 vorzusehen.While for each strain gauge quarter bridge 7 a separate local measuring circuit 9 must be provided is the global measurement circuit part 10 assigned to a plurality of measuring channels and preferably connected in parallel with this or connected via separate switching elements the measuring channels. So it is possible for many parallel measuring channels only one global internal measuring circuit part 10 provided.

Neben der globalen verstärkerseitigen internen Ergänzungshalbbrücke 8 mit den beiden gleichartigen Messwiderständen R_HB besteht die andere Hälfte der Wheatstoneschen Messbrückenschaltung aus dem externen Dehnungsmessstreifen DMS und dem verstärkerseitigen internen Ergänzungswiderstand R_E, die jeweils eine Viertelmessbrücke 3, 7 bilden. Dabei ist die Dehnungsmessstreifen-Viertelmessbrücke 7 an jeder Anschlussseite über jeweils eine Fühlerleitung 1, 2' und eine Speiseleitung 1', 2 mit der lokalen Verstärkerschaltung 9 verbunden, wobei die Leitungen 1, 1', 2, 2' im wesentlichen durch ihre Leitungswiderstände R_KB2, R_KB2', R_KB1, R_KAB1, dargestellt sind. Die Fühlerleitungen 2', 1' sind mit hochohmigen Eingängen von Operationsverstärkern V1, V2 verbunden und damit auch im Messbetrieb weitgehend stromlos.In addition to the global amplifier-side internal supplementary half-bridge 8th With the two similar measuring resistors R _HB , the other half of the Wheatstone measuring bridge circuit consists of the external strain gage DMS and the amplifier-side internal supplementary resistance R _E , each of which is a quarter-bridge 3 . 7 form. Here is the strain gauge quarter bridge 7 on each connection side via one sensor cable each 1 . 2 ' and a feed line 1' . 2 with the local amplifier circuit 9 connected, the lines 1 . 1' . 2 . 2 ' essentially represented by their line resistances R _KB2 , R _{KB2 '} , R _KB1 , R _KAB1 . The sensor lines 2 ' . 1' are connected to high-impedance inputs of operational amplifiers V1, V2 and thus largely de-energized even in measuring operation.

Mit der zweiten Fühlerleitung 2' wird der Minuseingang eines ersten Operationsverstärkers V1 und durch die zweite Speiseleitung 2 wird der Ausgang des Operationsverstärkers V1 verbunden. Im Messbetrieb wird durch diesen Operationsverstärker V1 der Spannungsabfall auf der Speiseleitung 2 durch die Differenz der Speisesollspannung auf der Fühlerleitung 2' und der Speisespannung auf der Speiseleitung 2 erfasst und über die Verbindung des positiven Verstärkereingangs mit der Speisespannungsquelle M wie aus der DE 101 20 983 A1 bekannt ausgeregelt.With the second sensor line 2 ' is the negative input of a first operational amplifier V1 and the second feed line 2 the output of the operational amplifier V1 is connected. During measuring operation, this operational amplifier V1 causes the voltage drop on the supply line 2 by the difference of the nominal feed voltage on the sensor line 2 ' and the supply voltage on the feed line 2 detected and the connection of the positive amplifier input to the supply voltage source M as shown in DE 101 20 983 A1 known regulated.

Des weiteren stellt die erste Fühlerleitung 1 der Messbrückenschaltung den Anschluss zum Diagonalmesszweig der Wheatstoneschen Messbrücke dar und ist mit dem positiven Eingang eines zweiten Operationsverstärker V2 verbunden, der als Impedanzwandler 5 mit einem Verstärkungsfaktor von 1 geschaltet ist. Die erste Speiseleitung 1' ist ebenfalls mit einem zweiten Impedanzwandler 6 sowie einem verstärkerseitigen Ergänzungswiderstand R_E verbunden. Der zweite Impedanzwandler 6 ist als Operationsverstärker V3 ausgebildet und besitzt durch seinen Rückkopplungszweig ebenfalls einen Verstärkungsfaktor 1. Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker V3 mit einem Steuereingang G eines Stellgliedes als elektronisches Verstärkerelement T1 verbunden, das als MOS-Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist. In Reihe zu den beiden Stromführungseingängen S, D des MOS-FET T1 sind zwei gleich große Widerstände R1 und R2 geschaltet. Dabei ist der Widerstand R1 noch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers V2 und der Widerstand R2 mit dem Ausgang eines zusätzlichen Operationsverstärkers V4 verbunden. Am positiven Eingang des Operationsverstärkers V4 liegt die Sollspeisespannung der globalen Speisespannungsversorgung G an, während der negative Eingang im Rückkopplungszweig mit dem Widerstand R2 beschaltet ist.Furthermore, the first sensor line 1 the measuring bridge circuit is the connection to the diagonal measuring branch of the Wheatstone measuring bridge and is connected to the positive input of a second operational amplifier V2 serving as an impedance converter 5 is connected with a gain of 1. The first feeder 1' is also with a second impedance converter 6 and an amplifier-side supplementary resistor R _E connected. The second impedance converter 6 is designed as an operational amplifier V3 and also has a gain factor through its feedback branch 1 , On the output side, the operational amplifier V3 is connected to a control input G of an actuator as an electronic amplifier element T1, which is designed as a MOS field-effect transistor. In series with the two current carrying inputs S, D of the MOS-FET T1 two equal resistors R1 and R2 are connected. In this case, the resistor R1 is still connected to the output of the operational amplifier V2 and the resistor R2 to the output of an additional operational amplifier V4. At the positive input of the operational amplifier V4 is the set supply voltage of the global supply voltage supply G, while the negative input in the feedback branch is connected to the resistor R2.

Durch die leistungslose Ansteuerung des MOS-FET bildet die Verschaltung von V3, V2, R1 und T1 eine hochpräzise Stromquelle. Die beiden Impedanzwandler 5, 6 erfühlen mit ihren IN+ Eingängen den Spannungsabfall zwischen der ersten Fühlerleitung 1 und der ersten Speiseleitung 1'. Aufgrund der Funktionsweise der Impedanzwandler stellen sich an den IN-Eingängen dieselben Potentiale ein. Über dem Widerstand R1 liegt somit eine Spannung die dem Spannungsverlust auf der DMS Speiseleitung 1' entspricht. Dem Widerstand R1 wird dadurch ein Strom eingeprägt, welcher aufgrund des isolierten Gate des MOS-FET T1 vollständig über dessen Drain Anschluss D abfließen kann. Dabei fließt der Quellenstrom auch durch den Widerstand R2, an dem sich eine Spannung aufbaut, die gleich der Spannung am Widerstand R1 ist und damit dem Spannungsabfall auf der Speiseleitung 1' entspricht.The powerless control of the MOS-FET makes the connection of V3, V2, R1 and T1 a high-precision power source. The two impedance converters 5 . 6 with their IN + inputs sense the voltage drop between the first sensor line 1 and the first feeder 1' , Due to the mode of operation of the impedance converters, the same potentials occur at the IN inputs. Over the resistor R1 is thus a voltage that is the voltage loss on the DMS feed line 1' equivalent. The resistor R1 is thereby impressed with a current which, due to the insulated gate of the MOS-FET T1, can flow off completely via the drain D of the latter. In this case, the source current also flows through the resistor R2, at which a voltage builds up, which is equal to the voltage across the resistor R1 and thus the voltage drop across the feed line 1' equivalent.

Am Ausgang des Operationsverstärkers V4 wird somit der Speisespannung der Ergänzungs-Viertelbrücke 3 eine Spannungsdifferenz aufaddiert, die dem Leitungsspannungsabfall streng proportional ist. Da durch beide Widerstände R1 und R2 genau der gleiche Strom fließt, der auch direkt dem Speisespannungsverlust proportional ist, müssen hierfür keine hochgenauen Widerstände eingesetzt werden. Denn auch bei Standardwiderständen mit Widerstandstoleranzen von beispielsweise 1% erfolgt mindestens eine 98% richtige Ausregelung der meist nur geringfügigen Leitungsverlustspannung, deren Abweichung vernachlässigbar gering ist. Da bei einer herkömmlichen Differenzverstärkerschaltung wie aus der DE 101 20 983 A1 bekannt auch mit hochgenauen Präzisionswiderständen keine vollständige Gleichtaktunterdrückung erreichbar ist, ist wegen der verhältnismäßig hohen Gleichtaktspannung von UG/2 im Verhältnis zu der verhältnismäßig geringen Differenzspannung zwischen der Speiseleitung 1' und der Fühlerleitung 1 auch bei wesentlich höheren Kostenaufwand nur eine geringere Ausregelgenauigkeit erreichbar als bei der vereinfachten erfindungsgemäßen Leitungsverlustregelung.At the output of the operational amplifier V4 thus the supply voltage of the supplementary quarter bridge 3 adds up a voltage difference that is strictly proportional to the line voltage drop. Since exactly the same current flows through both resistors R1 and R2, which is also directly proportional to the supply voltage loss, no high-precision resistors have to be used for this purpose. Even with standard resistors with resistance tolerances of, for example, 1%, at least a 98% correct compensation of the usually only slight line loss voltage, whose deviation is negligible. Since in a conventional differential amplifier circuit as shown in DE 101 20 983 A1 known even with highly accurate precision resistors is not complete common mode rejection can be achieved, because of the relatively high common mode voltage of UG / 2 in relation to the relatively low differential voltage between the feeder 1' and the sensor line 1 even at much higher cost only a lower Ausregelgenauigkeit achievable than the simplified line loss control according to the invention.

Mit einer derartigen lokalen Verstärkerschaltung 9 sind nicht nur die Spannungsverluste auf den Speiseleitungen 1', 2 kompensierbar, sondern auch Schalterverluste, die zur Anschaltung der Anschlussleitungen teilweise vorgesehen sind. So werden häufig derartige lokale Verstärkerschaltungen 9 für unterschiedliche Ergänzungswiderstände R_E oder für extern am Messobjekt befindliche andere Brückenelemente vorgesehen, die dann vorzugsweise über elektronische Anschaltmittel wie z. B. FET-Transistoren anschaltbar sind. Da diese zum Teil Anschaltwiderstände von bis zu 20 Ω aufweisen können und in unterschied lichen Größen vorkommen, sind auch diese Anschaltwiderstände durch die erfindungsgemäße lokale Verstärkerschaltung 9 kompensierbar.With such a local amplifier circuit 9 are not just the voltage losses on the supply lines 1' . 2 compensated, but also switch losses, which are partially provided for connecting the connection lines. Such become often such local amplifier circuits 9 provided for different supplementary resistors R _E or for externally located on the measurement object other bridge elements, which then preferably via electronic start-up means such. B. FET transistors can be connected. Since these can sometimes have Anschaltwiderstände of up to 20 Ω and occur in different union sizes, these are also Anschaltwiderstände by the inventive local amplifier circuit 9 compensated.

Eine derartige Verstärkerschaltung 9 ist auch bei Trägerfrequenzspeisung einsetzbar, wobei als Stellglieder allerdings dann bipolare elektronische Verstärkerelemente vorgesehen werden müssen, die z. B. als eine geeignete Zusammenschaltung komplementärer Transistoren ausführbar sind.Such an amplifier circuit 9 is also used in carrier frequency supply, but as actuators, however, then bipolar electronic amplifier elements must be provided, the z. B. are executable as a suitable interconnection of complementary transistors.

In 2 der Zeichnung ist eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Messbrückenschaltung dargestellt, die im Grunde als Spiegelung der Verstärkerschaltung 9 nach 1 der Zeichnung ausgeführt ist. Da die erfindungsgemäße Messbrückenschaltung eine symmetrische Wheatstonesche Brückenschaltung enthält, ist es im Grunde unerheblich, ob die Leitungsverluste dem Dehnungsmessstreifen-Viertelbrückenzweig 7 oder dem Ergänzungs-Viertelbrückenzweig 3 zugeschlagen werden. Die Schaltung in 2 der Zeichnung unterscheidet sich deshalb nur dadurch von der Schaltung nach 1, dass die beiden Speiseleitungsverluste U_KAB2 und U_KAB1, beide im Dehnungsmessstreifen-Viertelbrückenzweig 7 nachgeregelt werden.In 2 In the drawing, an alternative embodiment of the measuring bridge circuit according to the invention is shown, which basically as a reflection of the amplifier circuit 9 to 1 the drawing is executed. Since the measuring bridge circuit according to the invention comprises a symmetrical Wheatstone bridge circuit, it is essentially irrelevant whether the line losses branch the strain gauge quarter bridge 7 or the supplementary quarter bridge branch 3 be slammed. The circuit in 2 The drawing therefore only differs from the circuit 1 in that the two _{feeder line losses} U _KAB2 and U _KAB1 , both in the strain gauge quarter _{bridge branch} 7 be readjusted.

Dazu erfasst zunächst der Operationsverstärker V1 wie in 1 bereits beschrieben den Speisespannungsverlust U_KAB2 auf der zweiten Speiseleitung 2 und speist diese Differenzspannung über den Ausgang des Operationsverstärkers V1 zusätzlich in die Speiseleitung 2 ein. Gleichzeitig wird durch die beiden Operationsverstärker V3 und V2 die Differenzspannung U_KAB1, auf der Speiseleitung 1 erfasst und dieser Spannungsabfall durch das Stellglied T1 in einen proportionalen Strom umgewandelt. Dadurch bildet sich an dem Widerstand R2 eine Spannung, die dem Spannungsabfall U_KAB1, auf der Speiseleitung 1' entspricht und wird durch den Operationsverstärker V4 ebenfalls der Speisespannung an der Speiseleitung 2' zugeschlagen. Damit werden die beiden Leitungsspannungsverluste U_KAB2 und U_KAB1, kompensiert, so dass durch das im Diagonalmesszweig schematisch angeordnete Messinstrument M ein hochgenauer Messwert anzeigbar ist.For this purpose, the operational amplifier V1 first detects as in 1 already described the supply voltage _loss U _KAB2 on the second feed line 2 and feeds this differential voltage via the output of the operational amplifier V1 in addition to the feed line 2 one. At the same time by the two operational amplifiers V3 and V2, the differential voltage U _KAB1 , on the feed line 1 detected and this voltage drop is converted by the actuator T1 in a proportional current. As a result, a voltage which forms the voltage drop U _KAB1 on the supply line forms on the resistor R2 1' corresponds and is by the operational amplifier V4 also the supply voltage to the feed line 2 ' slammed shut. Thus, the two line _voltage losses U _KAB2 and U _KAB1 , compensated, so that by the diagonal measuring branch schematically arranged measuring instrument M, a highly accurate measured value can be displayed.

Eine einfache Modifikation der erfindungsgemäßen Messbrückenschaltung ist des weiteren in 3 der Zeichnung dargestellt, die als Dreileiterschaltung ausgeführt ist. Bei dieser Schaltung ist gegenüber der Schaltung nach 1 im Grunde nur der Operationsverstärker V1 eingespart worden, um insbesondere bei Vielstellenmessungen von zum Teil mehreren tausend Messstellen den messtechnischen Aufwand nochmals zu verringern. Eine derartige Schaltungsalternative ist insbesondere bei sehr symmetrischen oder verhältnismäßig kurzen Anschlussleitungen 1, 1', 2 ausführbar, bei denen die Leitungsspannungsverluste U_KAB2 und U_KAB1, nur in vernachlässigbarer Größenordnung voneinander abweichen. Deshalb wird lediglich der Leitungsspannungsabfall U_KAB1, durch die beiden Operationsverstärker V2 und V3 erfasst und durch das Stellglied T1 in einen proportionalen Strom umgewandelt. Im Unterschied zur Stromquellenschaltung nach 2 der Zeichnung hat der Widerstand R2 einen Widerstandswert, der dem doppelten des Widerstands R1 entspricht, so dass am Widerstand R2 eine Spannung anliegt, die dem doppelten des Leitungsspannungsabfalls U_KAB1, entspricht. Dadurch wird über den Operationsverstärker V4 auch der doppelte Leitungsspannungsabfall 2 × U_KAB1, dem Speisespannungsanteil an der Ergänzungsviertelbrücke 3 zugeschlagen, so dass beide Speisespannungsverluste U_KAB2 und U_KAB1, an der Messhalbbrücke aus dem Dehnungsmessstreifen DMS und dem Ergänzungswiderstand RE kompensiert sind.A simple modification of the measuring bridge circuit according to the invention is further in 3 the drawing shown, which is designed as a three-wire circuit. In this circuit is compared to the circuit after 1 Basically, only the operational amplifier V1 has been saved in order to reduce the metrological effort even more in multi-digit measurements of sometimes several thousand measuring points. Such a circuit alternative is especially for very symmetrical or relatively short connection lines 1 . 1' . 2 executable, in which the line _voltage losses U _KAB2 and U _KAB1 , deviate from each other only to a negligible _extent . Therefore, only the line _{voltage drop} U _KAB1 , _detected by the two operational amplifiers V2 and V3 and converted by the actuator T1 in a proportional current. Unlike the power source circuit after 2 In the drawing, the resistor R2 has a resistance equal to twice the resistance R1, so that the resistor R2 is applied to a voltage which is twice the line voltage drop U _KAB1 corresponds. As a result of the operational amplifier V4 and the double line voltage _drop 2 × U _KAB1 , the supply voltage _component at the supplementary _{quarter bridge} 3 added, so that both supply voltage _losses U _KAB2 and U _KAB1 , _compensated at the measuring half bridge of the strain gauge DMS and the additional resistance RE.

Eine entsprechende Spiegelung der Dreileiterschaltung nach 3 ist in 4 der Zeichnung dargestellt. Dabei unterscheiden sich die Schaltung nach 4 von der Dreileiterschaltung nach 3 lediglich dadurch, dass zwar die Speise leitungsverluste zwischen der ersten Fühlerleitung 1 und der ersten Speiseleitung 1' durch die Operationsverstärker V2 und V3 erfasst werden, aber über den Operationsverstärker V4 der Speisespannungsversorgung der Speiseleitung 2 mit dem doppelten Betrag zugeschlagen wird. Dabei hat der Widerstand R2 ebenfalls dem doppelten Widerstandwert wie der Widerstand R1, so dass der Operationsverstärker V4 mit dem Verstärkungsfaktor 2 arbeitet und damit die Spannungsverluste auf beiden Speiseleitungen 1' und 2 kompensiert.A corresponding reflection of the three-wire circuit after 3 is in 4 the drawing shown. In this case, the circuit differ 4 from the three-wire circuit after 3 only in that although the supply line losses between the first sensor line 1 and the first feeder 1' be detected by the operational amplifier V2 and V3, but via the operational amplifier V4 of the supply voltage supply of the feed line 2 slammed with twice the amount. In this case, the resistor R2 also has twice the resistance value as the resistor R1, so that the operational amplifier V4 with the gain 2 works and thus the voltage losses on both supply lines 1' and 2 compensated.

Im Grunde können derartige Messbrückenschaltungen mit als Stromquelle geschaltetem Stellglied T1 und einem Additionsverstärker V4 auch bei Fünf- und Sechsleiterschaltungen eingesetzt werden, um die Leitungs- und Anschaltverluste zu kompensieren. Derartige Fünf- oder Sechsleiterschaltungen aus zusätzlichen Fühler- und Speisespannungsleitungen sind teilweise notwendig, um extern am Messobjekt befindliche Brückenelemente wie spezielle Ergänzungs- oder Kompensationswiderstände oder ganze Vollbrücken an den lokalen Messkanal anzuschalten. Dazu werden zum Teil auch elektronische Anschaltmittel aus beispielsweise FET-Transistoren unterschiedlicher Anschaltwiderstandswerte in den Speiseleitungen eingesetzt, die zusätzlich mit kompensierbar sind.In principle, such measuring bridge circuits can be used with switched as a current source actuator T1 and a summing amplifier V4 also in five- and six-wire circuits to compensate for the line and startup losses. Such five- or six-conductor switching Additional sensor and supply voltage lines are sometimes necessary to connect external bridge components such as special supplementary or compensation resistors or entire full bridges to the local measuring channel. For this purpose, in part electronic switch-on means, for example FET transistors of different on-resistance values, are also used in the supply lines, which can also be compensated for.

Claims

Measuring bridge circuit in at least three-wire circuit, consisting of at least one strain gauge (DMS) in quarter-bridge circuit ( 7 ), which has at least three connection lines ( 1 . 1' . 2 . 2 ' ) with a measuring amplifier circuit ( 9 ) and an internal half bridge ( 8th ), at least between one feed line ( 1' . 2 ) and a sensor line ( 1 . 2 ' ) electronic amplifier elements ( 5 . 6 ) are provided by the at least the differential voltage between these two connecting lines ( 1 . 1' . 2 . 2 ' ) are detected as supply line losses and these supply line losses on the output side of the supply voltage portion of a supplementary quarter bridge ( 3 ) or the strain gauge quarter bridge ( 7 ), characterized in that at the output of at least one of the electronic amplifier elements ( 5 . 6 ) a transistor (T1) is provided which is connected as a current source whose source current is proportional to the supply line losses and which is converted via at least one resistor (R2) into a voltage drop and via a further amplifier element (V4) of the supplementary quarter bridge ( 3 ) or the strain gauge quarter bridge ( 7 ) is added.

Bridge circuit according to Claim 1, characterized in that the electronic amplifier elements ( 5 . 6 ) between the first supply line ( 1' ) and the first sensor line ( 1 ) represent two parallel operational amplifiers (V2, V3), which are connected as an impedance converter, wherein the output of the first supply line ( 1' ) arranged operational amplifier (V3) controls the transistor (T1), at whose current-carrying outputs (S, D) two resistors (R1, R2) are connected, which are traversed by the source current.

Measuring bridge circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the resistors (R1, R2) as standard resistors are formed, wherein in the four-wire circuit both have the same resistance value own and arranged in the three-wire circuit downstream Resistor (R2) twice the resistance value than the upstream Resistor (R1) has.

Measuring bridge circuit according to claim 3, characterized in that the upstream switched Resistor (R1) between the output of the operational amplifier (V2) and the source output (S) of the transistor (T1) and the downstream switched Resistor (R2) between the output (D) of the actuator (T1) and the output of the further amplifier element (V4) in its feedback branch is switched.

Measuring bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the transistor (T1) as a MOS-FET or as bipolar interconnection a similar transistor pair is formed.

Measuring bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the output of the further amplifying element (V4) the line voltage drop of the supplementary quarter bridge ( 3 ) or the strain gauge quarter bridge ( 7 ) feeds.

Measuring bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that at least in the four-wire circuit in the second feed ( 2 ) and sensor cable pair ( 2 ' ) is still an additional amplifier element (V1) is connected, the supply line loss on the second feed line ( 2 ) recorded and readjusted.

Bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the detection and readjustment of the line losses in a local amplifier circuit ( 9 ) and at the same time the supplementary quarter bridge ( 3 ) is arranged.

Measuring bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that it contains a Wheatstone bridge, which consists of at least one strain gauge quarter bridge ( 7 ) with at least three connecting cables ( 1 . 1' . 2 . 2 ' ) to a local sense amplifier circuit ( 9 ) and at the same time the supplementary quarter bridge ( 3 ) and a global supplementary half-bridge ( 8th ) connected to a global supply voltage supply (G).