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Neßanordnunq mit einer Brückenschaltunq
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordung mit einer' Brückenschaltung,
die in einem Brückenzweig mindestens einer Brückenhälfte einen sich mit einer zu
erfassenden Meßgröße ändernden Widerstand aufweist, und mit einer an die Brückenschaltung
angeschlossenen Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines konstanten Stromes.
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Bei einer bekannten Meßanordnung dieser Art (T. Potma "Dehnungsmeßstreifen-MeBtechnik",
Philips Taschenbücher, 1968, S.70) besteht die Schaltungsanordnung zur Erzeugung
des konstanten Stromes aus einer Konstantstromquelle, die an die Speisediagonale
der Brückenschaltung angeschlossen ist.
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Durch die Einspeisung des konstanten Stromes wird erreicht, daß die
Spannung an einem den sich mit der zu erfassenden Meßgröße ändernden Widerstand
bildenden Dehnungsmeßstreifen im Falle eines Hochtemperatur- oder Halbleiter-Dehnungsmeßstreifens
trotz Empfindlichkeitsabnahme ansteigt. Der Strom durch den Dehnungsmeßstreifen
wird dadurch konstant gehalten, so daß auch bei Verwendung von Dehnungsmeßstreifen
mit einem von der Temperatur abhängigen K-Faktor der Einfluß der Temperatur auf
die Meßgröße ausgeschaltet ist.
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Diese bekannte Meßanordnung hat aber wie andere übliche Brückenschaltungen
den Nachteil, daß der Zusammenhang zwischen der Änderung des Widerstandwertes des
sich mit der zu erfassenden Meßgröße ändernden Widerstandes und der Spannung an
der Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung nichtlinear ist. Anhand der Fig. 1 soll
dieser Zusammenhang näher erläutert werden.
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Die in der Fig. 1 dargestellte Brückenschaltung liegt an einer Sp-eisespannung
Us und enthält in ihrer einen Brückenhälfte einen sich mit einer zu erfassenden
Meßgröße ändernden Widerstand R + A R sowie in Reihe damit einen weiteren Widerstand
R. In der anderen Brückhälfte liegen zwei Widerstände R. Die Meßspannung L U an
der Ausgangsdiagonale läßt sich dann durch die Gleichung (1) beschreiben:
Die Meßspannung in der Speisediagonale ist also nichtlinear mit der Änderung am
Widerstand R zur zu R verknüpft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung mit einer
Brückenschaltung vorzuschlagen, mit der sich mit vergleichsweise geringem Schaltungsaufwand
eine Meßspannung gewinnen läßt, die Eich linear mit Einer Anderung an dem die Ileßgröße
erfassenden Widerstand ändert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe enthält bei einer Meßanordnung der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß die Schaltungsanordnung einen Differenzverstärker,
der mit seinem einen Eingang an das einen Anschlußpunkt der Ausgangsdiagonale bildende
Ende des einen Brückenzweiges und mit seinem Ausgang an das einen Anschlußpunkt
der Speisediagonale bildende andere Ende des einen Brückenzweiges angeschlossen
ist; ein weiterer Eingang des Differenzverstärkers ist einerseits über eine Zenerdiode
mit dem anderen Anschlußpunkt der Speisediagonale und andererseits mit einer Betriebsspannungsquelle
verbunden.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht
darin, daß mit ihr an der Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung eine Meßspannung
gewinnbar ist, die linear von der Änderung des sich mit der Meßgröße ändernden Widerstandes
abhängt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der sich ändernde Widerstand im Gegenkopplungszweig
des Differenzverstärkers angeordnet ist und somit unter
Zusammenwirken
mit der Zenerdiode stets von einem konstanten Strom durchflossen ist. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, daß es zur Erzielung des linearen Zusammenhangs lediglich
eines zusätzlichen Differenzverstärkers mit einer Zenerdiode bedarf, so daß der
zusätzliche Schaltungsaufwand gering ist.
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Um eine möglichst hohe Meßspannung mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung
zu gewinnen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Brückenschaltung in einem
dem einen Brückenzweig diagonal gegenüberliegenden weiteren Brückenzweig der anderen
Brückenhälfte einen mit der Meßgröße sich ändernden Widerstand derselben Größe wie
der eine Widerstand enthält. In diesem Falle ist nämlich die Meßspannung an der
Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung bei vergleichbarer Änderung des sich ändernden
Widerstandes doppelt so groß wie bei Verwendung einer Brückenschaltung mit nur einem
einzigen sich ändernden Widerstand.
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Zwar ließe sich bei einer derartig aufgebauten Brückenschaltung mit
Einspeisung eines konstanten Stromes aus einer Konstantstromquelle entsprechend
der oben beschriebenen bekannten Meßanordnung auch ein annähernd linearer Zusammenhang
zwischen der Änderung der Meßspannung und der Änderung der Widerstände erzielen,
jedoch ergäbe sich dabei eine Meßspannung, die nur halb so groß ist, so daß eine
größere Verstärkung erforderlich wäre.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 2 ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Meßanordnung dargestellt.
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Die in Fig. 2 dargestellte Neßanordnung enthält eine Brückenschaltung
mit einer Brückenhälfte 1 und einer weiteren Brükkenhälfte 2. Die Brückenschaltung
weist eine Speisediagonale mit nschlußpunkten 3 und 4 auf, von denen der Anschlußpunkt
4 an Masse angeschlossen ist.
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Ein Brückenzweig der einen Brückenhälfte 1 ist von einem sich mit
einer Meßgröße ändernden Widerstand 5 gebildet, bei dem es sich um einen Dehnungsmeßstreifen
handeln kann. In Reihe mit dem sich ändernden Widerstand 5 und somit einen weiteren
Brückenzweig der einen Brückenhälfte 1 bildend liegt ein Widerstand 6, der einen
konstanten Widerstandswert besitzt. Ein Verbindungspunkt 7 der beiden Brückenzweige
der einen Brückenhälfte 1 bildet einen Anschlußpunkt der Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung.
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Die andere Brückenhälfte 2 besteht aus zwei Widerständen 8 und 9 mit
konstantem Widerstandswert. Ihr gemeinsamer Verbindungspunkt bildet einen weiteren
Anschlußpunkt 10 der Ausgangsdiagonale. Die Widerstandswerte der Widerstände 6,
8 und 9 und des Widerstandes 5 in seinem Ausgangszustand sind gleich groß.
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An dem einen Anschlußpunkt 7 der Ausgangsdiagonale ist mit einem Eingang
11 ein Differenzverstärker 12 angeschlossen.
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Der Ausgang 13 des Differenzverstärkers 12 ist an den Anschlußpunkt
3 der Speisediagonale der Brückenschaltung geführt. Ein weiterer Eingang 14 des
Differenzverstärkers 12 ist über eine Zenerdiode 15 an den anderen Anschlußpunkt
4 der Speisediagonale bzw. an Masse angeschlossen. Außerdem ist der weitere Eingang
14 des Differenzverstärkers 12 über einen Widerstand 16 an eine Betriebsspannung
Ub des Differenzverstärkers 12 angeschlossen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Differenzverstärker ein
Operationsverstärker verwendet, dessen invertierender Eingang den einen Eingang
11 des Differenzverstarker bildet, und dessen nichtintervertierender Eingang den
weiteren Eingang 14 darstellt.
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Wie im folgenden nachgewiesen wird, ergibt sich bei der in Fig. 2
dargestellten Meßanordnung eine Meßspannung # U an der Ausgangsdiagonale 7-1G, die
sich linear mit der änderung des Widerstandes 5 ändert. Bei der dargestellten Meßanordnung
wird nämlich trotz sich änderndem Widerstand 5 an dem einen Anschlußpunkt 7 der
Ausgangsdiagonale eine Spannung Ul konstanter Größe erzeugt. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß an der Zenerdiode 15 eine konstante Spannung Ur abfällt und mit dieser Spannung
die Spannung Ul gleich ist, weil infolge des Differenzverstärkers 12 durch den sich
ändernden Widerstand 5 ein konstanter Strom I1 getrieben wird, der von einer Änderung
des Widerstandes 5 unbeeinflußt ist.
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Weist der sich mit der zu erfassenden Meβgröβe ändernde
Widerstand 5 einen Widerstandswert R + ER auf, dann läßt sich die Speisespannung
Us an der Speisediagonale 3-4 der Brückenschaltung durch folgende Gleichung (2)
beschreiben: Us = I1 (R + #R) + I1 R = I1 (2R + C R) (2) Für die andere Brückenhälfte
gilt folgende Beziehung (3): 12 = (3) Unter Berücksichtigung der Beziehung (2) ergibt
sich dann
Bezeichnet man die Spannung an dem Anschlußpunkt 10 der Ausgangsdiagonale mit U2
dann läßt sich die Meßspannung 4 U nach folgender Beziehung ermitteln: U2 - Ul =
#U = I2 R - I1 R = R(I2 - 11) (5)
Unter Berücksichtigung der Gleichungen
(4) und (5) folgt dann
woraus sich ohne weiteres folgende Beziehung errechnen läßt:
Diese Gleichung beweist, daß mit der dargestellten Meßanordnung eine lineare Abhängigkeit
der Meßspannung U an der Ausgangsdiagonale 7-10 der Brückenschaltung in Abhängigkeit
von einer Widerstandsänderung am sich mit der zu erfassenden Meßgröße ändernden
Widerstand 5 erreicht ist.
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Wird in der in Fig. 2 dargestellten Meßanordnung der dem sich ändernden
Widerstand 5 diagonal gegenüberliegende Widerstand 9 ebenfalls als ein mit der Meßgröße
sich ändernder Widerstand ausgebildet, dann läßt sich die Spannung U2 durch folgende
Beziehung ausdrücken: U2 = I2 (R + " R) (8) Mit
ergibt sich dann unter Berücksichtigung der Gleichung (2) folgende Beziehung:
Die Meßspannung #U an der Ausgangsdiagonale 7-10 der Brückenschaltung läßt sich
dann durch folgende Gleichung ermitteln: U2 - Ul = #U = 11 v (R + a R) - 11 * R
= I1* AR
Auch in diesem Falle ergibt sich also eine lineare Beziehung
zwischen der Meßspannung U und einer Widerstandsänderung an den sich mit der zu
erfassenden Meßg-röße ändernden Widerständen 5 und 9, wobei in vorteilhafter Weise
die Meßspannung t U doppelt so hoch wie bei Verwendung nur eines einzigen sich mit
der £,meßgröße ändernden Widerstandes ist.
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Ein weiterer Vorteil einer Meßanordnung mit zwei in der beschriebenen
Weise angeordneten, sich mit der Meßgröße ändernden Widerständen besteht darin,
daß bei gleichartigen sich ändernden Widerständen Temperaturänderungen keinen Einfluß
auf den Nullpunkt der Brückenschaltung haben.
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Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße
Meßanordnung im Prinzip auch für echselspannungsbetrieb geeignet ist, wenn an die
Speisediagonale eine geregelte Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die
Regelung mittels des Differenzverstärkers erfolgt, der eingangsseitig über einen
Gleichrichter an die Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung angeschlossen ist.
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2 Figuren 3 Patentansprüche