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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Abbilden der linderung
des Widerstandes eines Meßobjektes als proportionale elektrische Spannung oder als
solcher Strom mit einem das Meßobjekt in einem Rückkopplungspfad enthaltenden Verstärker.
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Zur Erfassung vieler physikalischer Größen müssen Widerstände bzw.
Widerstandsänderungen elektrisch gemessen werden, so etwa bei Dehnungsmeßstreifen
zur Erfassung mechanischer Größen oder bei Heißleitern zur Temperaturmessung. Da
diese Widerstandsänderungen meist nur sehr klein sind, müssen hochgenaue Meßmethoden
angewendet werden. Bislang wurde hauptsächlich die Brückenschaltung, in deren einem
Zweig der sich ändernde Widerstand geschaltet ist, wegen der großen Genauigkeit
bei relativ kleinem Schaltungsaufwand eingesetzt.
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Bei diesen Brückenschaltungen hat sich jedoch gezeigt, daß die Belastung
des sich ändernden Widerstands durch den Meßstrom recht erheblich ist. Dieses wirkt
besonders dann als störend, wenn zur Vergrößerung des Störabstandes ein möglichst
großer Meßstrom gewählt wird, der aber größere Ungenauigkeiten bedingt, die z. B.
durch Spannungsabfälle in den Zuleitungen oder an eventuellen Ubergangskontakten
hervorgerufen werden.
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In neuerer Zeit sind durch die Fortschritte auf dem Gebiet der integrierten
Schaltkreise neue, sehr kleine und zuverlässige Verstärkereinheiten erhältlich,
die auch in der elektrischen Meßtechnik mehr und mehr an Bedeutung gewinnen.
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So ist z. B. aus dem »Application Report«, AR 129, April 1964, der
Firma SGS Fairchild ein Differenzverstärker bekannt, der im Rückkopplungszweig über
einen Spannungsteiler verfügt und dessen anderer, nicht mit dem Rückkopplungszweig
verbundener Eingang von einer Spannungsquelle beaufschlagt wird.
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Es sind auch bereits Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen sich
in ihrem Impedanzwert ändernde Meßobjekte in den Rückkopplungszweig eines Verstärkers
geschaltet sind. Diese Verstärker werden als Oszillatoren betrieben, so daß sich
bei einer Impedanzänderung des Meßobjektes die Größe der Mitkopplung und damit die
Oszillatoramplitude ändert. Da die Oszillatoren zwangläufig mit ihrer jeweiligen
Resonanzfrequenz schwingen, wird das im Rückkopplungskreis des Verstärkers liegende
Meßobjekt von relativ großen Strömen durchflossen. Der Meßstrom bzw. die Meßspannung
ist bei dieser bekannten Schaltung immer eine Wechselgröße, so daß eine rein ohmsche
Widerstandsmessung des Meßòbjektes nicht möglich ist.
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Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, kleine Widerstandsänderungen
eines Meßobjektes möglichst genau bei optimalem Störabstand und minimaler Belastung
des Meßobjektes durch. den Meßstrom zu erfassen.
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Ausgehend von einer Schaltung zum Abbilden der Änderung des Widerstandes
eines Meßobfektes--ls proportionale elektrische Spannung oder als solcher Strom
mit einem das Meßobjekt in einem Rückkopplungspfad enthaltenen Verstärker ist diese
Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Verstärker ein Differenzverstärker
ist, dessen einer Eingang das Meßobjekt in einem Gegenkopplungspfad enthält, während
der andere Eingang des Verstärkers an einer diesen nicht übersteuernden konstanten
Eingangsspannungsquelle liegt, und daß eine Kompensationsspannungsquefle so großer
Spannung
zwischen dem Verstärkerbezugspunkt und dem Schall tungsbezugspunkt geschaltet
ist, daß der durch die Eingangsspannungsquelle bedingte konstante Antei, der Verstärkerausgangsspannung
möglichst vollständig kompensiert ist.
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Bei einer solchen Schaltung wird durch Subtraktion einer konstanten
Spannung von der am Ausgang des Differenzverstärkers auftretenden Spannung erreicht,
daß am Rückkopplungszweig und damit auch an dem Meßobjekt nur eine sehr geringe
Spannung liegt, so daß der durch das Meßobjekt fließende Meßstrom von minimaler
Größe ist. Eine Widerstandsänderung dieses Meßobjecktes macht sich am Ausgang des
Differenzverstärkers, bedingt durch eine Änderung des Verstärkungsfaktors, als eine
der Widerstandsänderung proportionale Spannung bemerkbar.
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Die bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung verwendeten Spannungsquellen
können gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Gleichspannungsquellen
sein. Für diese Spannungsquellen können jedoch auch Wechselspannungsquellen konstanter
Amplitude und Frequenz verwendet werden.
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Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Meßschaltung gegenüber
den bisher verwendeten Brückenschaltungen werden in der Beschreibung an Hand der
Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt F i g. 1 eine herkömmliche Widerstandsmeßbrücke
und F i g. 2 die erfindungsgemäße Meßschaltung mit einem Differenzverstärker.
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In F i g. 1 ist eine Widerstandsmeßbrücke dargestellt, von der drei
Brückenzweige durch jeweils gleiche Widerstände R und deren vierter Brückenzweig
durch einen sich ändernden und zu messenden Widerstand (R +ziR) gebildet werden.
Zwischen Brückenpunkten 1 und 2 tritt eine der Widerstandsänderung ziR R entsprechende
Brückenspannung # U auf. Die Widerstandsmeßbrücke wird von einer eine Spannung U
abgebenden Gleichspannungsquelle gespeist.
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In F i g. 2 ist ein Differenzverstärker DV gezeigt, dessen Ausgang
4 über einen' aus Widerständen Rr und (R+ziR) bestehenden Spannungsteiler auf einen
Eingang 1 rückgekoppelt ist. Ein zweiter Eingang 2 des Differenzverstärkers wird
über einen Widerstand R' von einer Gleichspannungsquelle mit einer Spannung U' beaufschlagt.
Ueber einen Schaltpunkt 3 ist dem Ausgang4 des Differenzverstärkers eine weitere
Gleichspannungsquelle mit einer Spannung U gegengeschaltet, so daß von der jeweils
vom<Differenzverstärker abgegebenen Ausgangsspannung diese Spannung U subtrahiert
wird. Am Ausgang4 des Differenzverstärkers ist dann gegenüber Masse die einer Widerstandsänderung
.1R des zu messenden Widerstandes entsprechende Spannung i - abzunehmen. - .s.pännung
Die Spannungsverstärkung '' des Differenzverstärkers DV in der beschriebelTen Anordnung
gemäß Fig.2 ist U4 Rr+(R+1R) V=#=# U1 (R+1R) ist die Widerstandsänderung 1R gleich
Null, so muß auch die am Ausgang des Differen% verstärkers anstehende Spannung .1
U gleich Null sein, daher gilt R R Rr+R 1U=U-U4=U-U'@#=0; R
daraus
folgt die Bedingung U ~ Rr + R R Um allgemeine Umgebungseinflüsse weitgehend zu
kompehsieren, wird man als Rückkopplungswiderstand Rr einen Widerstand derselben
Art und Größe wie der des Widerstandes R verwenden. Damit aber findet im Rückkopplungszweig
des Differenzverstärkers bei #R = 0 eine Spannungsteilung im Verhältnis 1:1 statt,
und die Verstärkung des Differenzverstärkers ist V = 2. Mit dieser Bedingung ergeben
sich die Werte Rr=R; U'=U/2.
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Für kleinste Nullpunktsabweichungen des Differenzverstärkers wird
man den am Eingang 1 liegenden Widerstand R'-Rr#R-R Rr+R 2' bei Rr = R wählen. Ändert
sich der zu messende Widerstand R auf einen Wert (R + X R), so wird der Verstärkungsfaktor
des Differnezverstärkers 2R+#R V=# R+#R und
U #R 1U=###.
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2 R=#R Da die Widerstandsänderung .1 R gegenüber dem Widerstandswert
R sehr klein ist, kann IR im Nenner des vorstehenden Ausdrucks vernachlässigt werden,
so daß für die am Ausgang des Differenzverstärkers anstehende Spannung gilt: U @R
2#R.
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Die Größe von 1U ist demnach der Hilfsspan-JR nung U und der relativen
Widerstandsänderung R proportional.
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Die Belastung des veränderlichen Widerstandes (R+, 1R) wird-durch
die am Rückkopplungszweig, also amAusgang4 des Differenzverstärkers anstehende Spannung
bestimmt. An der Reihenschaltung Rr+(R+#R) liegt lediglich die Ausgangsspannung.
1U der Meßschaltung, und bei Vernachlässigung des zum Eingang 1 des Differenzverstärkers
fließenden Stromes berechnet sich die am veränderlichen Widerstand (R + 1R) liegende
Spannung zu (R+#R) @@ U(R+#R)=1U####, Rr+(R+1R) 2 damit ergibt sich die im zu messenden
Widerstand (R + I R) hauptsächlich als Wärme umgesetzte Leistung zu
Die im Widerstand umgesetzte Leistung P ist also dem Quadrat der relativen Widerstandsänderung
1R/R proportional Für JR = 0 verschwindet die Leistung P ganz, da dann die am Ausgang
des Differenzverstärkers und damit die am Rückkopplungszweig anstehende Spannung
1 U ebenfalls gleich Null ist. Bei einer festgesetzten maximalen Abweichung 1Rmax=0,1
#R ist die maximale im Widerstand umgesetzte Leistung Pmax=U2/1600R.
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Stellt man für die in Fig.1 gezeigte herkömmliche Widerstandsmeßbrücke
ebenfalls eine Leistungsberechnung der im zu messenden Widerstand infolge des Meßstromes
umgesetzten Leistung an, so ergibt sich folgendes: In der Brückenschaltung erzeugt
eine Widerstandsänderung #R des zu messenden Widerstandes (R + JR) ein Ausgangssignal
J U gleicher Größe wie in der Meßschaltung gemäß F i g. 2: U. 1R 2 R' für kleine
Widerstandsänderungen # R (J Rmax = 0, R) berechnet sich die im zu-messenden Brückenwiderstand
(R+#R) umgesetzte Wärmeleistung zu U2 P#4R=konstant.
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Vergleicht man diese Wärmebelastung mit der im vorhergehenden für
die Meßschaltung gemäß F i g. 2 berechneten Wärmebelastung, so ergibt sich, daß
die Wärmebelastung eines in einer herkömmlichen Brückenschaltung gemäß F i g.1 gemessenen
Widerstandes um den Faktor 400 höher ist als in der erfindungsgemäßen Meßschaltung.
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Nutzt man in beiden Schaltungen nun jeweils die höchstzulässige Wärmebelastung
des zu messenden Widerstandes (R+#R) aus, so darf die Gleichspannung U bei der Bedingung
#Rmax=0,1#R in der Meßschaltung gemäß Fig.2 den 20fachen Wert der Spannung U in
der Brückenschaltung gemäß F i g. 1 annehmen. Mit einer Erhöhung der Speisespannung
U wird aber auch die am Ausgang der jeweiligen Meßanordnung zur Verfügung stehende
Ausgangsspannung um den Faktor 20 größer. Der Störabstand des am Ausgang anstehenden,
die Widerstandsänderung #R angebenden Nutzsignals ist dann ebenfalls um den Faktor
20 größer.
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Bei einer gleichen Ausgangsspannung #U der beiden miteinander verglichenen
Meßanordnungen fließt in der erfindungsgemäßen Meßschaltung gemäß F i g. 2 durch
den zu messenden Widerstand (R + 1 R) ein 20fach geringerer Meßstrom. Die durch
diesen Meßstrom hervorgerufenen Spannungsabfälle in den Zuleitungen und an eventuellen
Ubergangskontakten sind dann um diesen Faktor ebenfalls kleiner.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßschaltung ergibt sich
daraus, daß ein Anschluß des zu messenden veränderlichen Widerstandes an Erde liegt
und daher die Leitungszuführung sehr vereinfacht wird. So ist z. B. bei der Anbringung
von Dehnungsmeßstreifen
dieser meist nur sehr schwer zugänglich,
so daß die Anbringung nur einer Zuleitung den Schaltungsaufwand sehr vereinfacht.
Gleichzeitig werden eventuelle, das Meßergebnis verllälsohende Einstreuungen durch
die Erdung des Meßobjektes weitgehend wirkungslos. Zwar kann auch bei einer herkömmlichen
Brückenschaltung gemäß F i g. 1 ein Punkt der Gleichspannungsquelle immer an Erde
gelegt werden - also ebenfalls ein Anschluß des zu messenden Widerstandes an Erde
gelegt werden , jedoch ist in diesem Fall die-an den Brückenpunkten 1 und 2 zu entnehmende
Ausgangsspannung nicht ebenfalls gegen Erde abzunehmen, wie es bei der erfindungsgemäßen
Meßschaltung gemäß F i g. 2 der Fall ist.
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Gegenüber einer einfachen Brückenschaltung erfordert die erfindungsgemäße
Meßschaltung zwar zusätzlich einen Differenzverstärker und eine Gleichspannungsquelle
U', jedoch wird dieser Aufwand mit Hilfe der heute vorhandenen, einfachen integrierten
Schaltkreise durch die mit der Meßschaltung erzielten Vorteile mehr als aufgewogen.
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Es wäre denkbar und is auch bekannt, an den Ausgang einer herkömmlichen
Brückenschaltung einen Differenzverstärker mit hoher Spannungsverstärkung zu schalten,
um das von der Brücke abgegebene Ausgangssignal entsprechend zu verstärken. Eine
solche Verstärkung bringt dann zwar tatsächlich ein größeres Ausgangssignal, so
daß man auch bei nur sehr kleinem Meßstrom und damit kleiner Wärmebelastung des
zu messen (1en Widerstandes ein ausreichend großes Ausgangsetgnal erhält, jedoch
bleibt der Störabstand dieses Ausgangssignals nach wie vor für die meisten Anwendungen
ungenügend klein, da ja der nachgeschaltete Differenzverstärker nicht nur das Nutzsignal,
sondern in gleicher Weise auch das Störsignal verstärkt.
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Bei der erfindungsgemäßen Meßschaltung kann die konstante Gleichspannung
U.auch durch eine Wechselspannung u = U sin w t mit konstanter Amplitude U und konstanter
Kreisfrequenz w ersetzt werden. Die Gleichspannung U' wird dann entsprechend zur
Wechselspannung u' T' t, und für -das Ausgangssignal erhält man die Wechselspannung
U = U AR sinwt.