DE3344363C2

DE3344363C2 -

Info

Publication number: DE3344363C2
Application number: DE19833344363
Authority: DE
Inventors: Guenter Von 4020 Mettmann De Zur Gathen
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1983-12-08
Filing date: 1983-12-08
Publication date: 1989-06-22
Also published as: DE3344363A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spei sung eines Widerstandsgebers nach dem Oberbegriff des An spruches 1.

Bei der Erfassung physikalischer Größen unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen oder Widerstandsthermometern ist es oft erforderlich, mehrere Einzelmessungen an den ver schiedensten Stellen des Meßobjektes durchzuführen. Zu diesem Zweck verwendet man eine Meßstellenumschalteinrich tung, die die Meßwerte auch über lange Signalleitungen mit großer Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit abfragt. In der DE-AS 23 14 754 ist eine elektrische Vielstellen-Meß einrichtung in Brückenschaltung beschrieben, bei welcher jede Meßstelle aus einem Meßbrückenzweig besteht und die einzelnen Meßstellen mittels eines Speisespannungsschal ters wahlweise an eine Speisespannungsquelle anschaltbar sind. Zur Vermeidung der die Meßergebnisse verfälschenden Kontaktwiderstände von Schaltern ist bei jeder Meßstelle zwischen dem Speisespannungsschalter und dem Meßwiderstand ein Spannungsabgriff vorgesehen, welcher mit einer Regel anordnung verbunden ist. Diese Anordnung regelt die Spei sespannung derart nach, daß am Ort des Spannungsabgriffs eine Spannung von vorgebbarem Betrag zur Verfügung steht. Die Anzahl der benötigten Speisespannungsschalter je Meß stelle richtet sich nach Aufbau der jeweils verwendeten Brückenschaltung. Für den Anschluß der mit Operationsver stärkern ausgerüsteten Umschalteinrichtung an den Meßver stärker und die Brückenspeisespannung sind vier Leitungen erforderlich zuzüglich der für die Spannungsversorgung der Operationsverstärker erforderlichen Zuführleitungen.

In der DE-OS 25 03 515 ist eine Schaltungsanordnung zur Widerstandsmessung in 3-Leitertechnik mit einem Widerstand als Widerstandsgeber beschrieben, bei der der Widerstandsgeber an einen Konstantstromgenerator angeschlossen ist. Ein Verstärker liefert eine Ausgangsspannung, die von der Größe des Konstant stromes und des Widerstandes abhängig ist. Der Einfluß der Leitungswiderstände auf die Ausgangsspannung ist bei geeigneter Bemessung der Gegenkopplungswider stände vernachlässigbar. Der Verstärker ist mit einer vom Kontantstromgenera tor getrennten Hilfsspannung zu versorgen.

Eine Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Kompensation des ohmschen Wider standes der Verbindungsleitungen zwischen Widerstandsgebern und Meßgerät ist in der DE-OS 25 18 422 beschrieben, bei der der Widerstandsgeber einen Teil eines Brückenzweiges in einer Brückenschaltung bildet, deren Diagonalspannung dem Eingang eines Verstärkers zugeführt ist. Der Widerstandsgeber wird auch hier mit einem konstanten Strom gespeist. Für den Betrieb der Schaltung sind ebenfalls drei Leitungen erforderlich. Zudem wird ein Hilfsverstärker benö tigt, der über getrennte Leitungen mit einer Hilfsspannung zu versorgen ist.

In einer Anordnung zur Speisung eines Widerstandsgebers bei einer Vielstel len-Meßeinrichtung müßten in den beiden bekannten Schaltungen außer den drei Meßleitungen und den zwei Stromversorgungsleitungen noch zwei Leitungen für die Hilfsspannung jeder Meßstelle vorgesehen werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines Widerstandsgebers anzugeben, die eine von den Einflüssen der Leitungswiderstände und der Kon taktwiderstände freie Speisespannung zur Verfügung stellt, wobei der Aufwand an Schaltkontakten für die Übertragung der Speisespannung und der Meßspannung mini mal sein soll. Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 ge kennzeichneten Mitteln gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung bietet die Mög lichkeit, daß die Verbindungsleitung zwischen dem Wider standsgeber, beispielsweise einer Brücke mit Dehnungsmeß streifen oder mit einem Widerstandsthermometer, und der Speiseschaltung in 2-Leiter-, 3-Leiter- oder 4-Leiter- Schaltung ausgeführt werden kann. Addiert man zwei Lei tungen zur Messung der Spannung am Widerstandsgeber hin zu, im Beispiel die Diagonalspannung einer Widerstands brücke, so kann die Verbindungsleitung zwischen Wider standsgeber und Speiseschaltung wahlweise aus 4, 5 oder 6 Adern bestehen. Da die Speiseschaltung selbst über zwei Leitungen mit einem eingeprägten konstanten Gleichstrom versorgt wird, braucht der Meßstellenschalter einer Viel stellen-Meßeinrichtung immer nur vierpolig ausgeführt zu werden, wobei zwei Schalter für die Durchschaltung der Meßgröße vorgesehen sind.

Da die Übergangswiderstände des Meßstellenschalters nicht in die Messung eingehen, können wahlweise Relais oder Halbleiterschalter als Schalter eingesetzt werden. Es ist ferner möglich, die Speiseschaltung in räumlicher Nähe zum Widerstandsgeber zu installieren, da auch der Einfluß der Übergangswiderstände der Leitungen zwischen der zen tralen Spannungmeßeinrichtung und der Speiseschaltung vernachlässigbar ist. Durch Verwendung der erfindungsge mäßen Schaltungsanordnung kann jede Konstantspannungsver sorgung auf eine 4adrige Messung zurückgeführt werden, wobei die Leitungslänge in weiten Grenzen ohne Einfluß auf das Meßergebnis ist. Wird in der Speiseschaltung eine Diode als Verpolungsschutz vorgesehen, so lassen sich zwei verschiedene Speiseschaltungen, die über getrennte Meßstellen-Schalter angewählt werden, mit vertauschter Polarität mit dem gleichen Widerstandsgeber verbinden. Von einer zentralen Meßeinrichtung können so zwei Meßvor gänge am gleichen Geber derart durchgeführt werden, daß Störeinflüsse wie beispielsweise Thermospannungen an einer Meßbrücke durch Differenzbildung von zwei Meßspan nungen unterschiedlicher Polarität eliminiert werden.

In den Fig. 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele der Er findung dargestellt; es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Meßbrücke in 3-Leiterschaltung und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Meßbrücke in 4-Leiterschaltung.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

In einer zentralen Datenerfassungsanlage - Zentrale Z ge nannt - befindet sich eine Konstantstromquelle K. Dieser kann über die Klemmen K 1, dem Pluspol (+), und K 2, dem Minuspol (-), ein konstanter eingeprägter Gleichstrom I _K entnommen werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform zeigt eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Meßbrücke R als Widerstandsgeber in 3-Leiterschaltung. Eine Speiseschal tung A ist mit den Klemmen A 1 und A 2 über zwei Leitungen mit den Widerständen RL 1 und RL 2 und zwei Schalter S 1 und S 2 an die Klemmen K 1 und K 2 der Konstantstromquelle K an schaltbar. Sie enthält einen Regelverstärker V 1 mit Aus gangswiderstand R 5, einen Gegenkopplungswiderstand R 1 so wie einen an die Klemmen A 1 und A 2 angeschlossenen Span nungsteiler mit den Teilerwiderständen R 3 und R 2. Die Speisediagonale der Meßbrücke R ist über zwei Speiselei tungen mit den Widerständen RL 5 und RL 6 an den Spannungs ausgang mit den Klemmen A 5 und A 6 der Speiseschaltung A angeschlossen. Eine dritte Speiseleitung mit dem Wider stand RL 7 verbindet den unteren Anschluß der Speisediago nale mit der Klemme A 7. Zwei Meßleitungen mit den Wider ständen RL 3 und RL 4 verbinden die Meßdiagonale der Meß brücke R mit den Schaltern S 3 und S 4, die eine Verbindung zu einer Spannungsmeßeinrichtung V 3 herstellen, welche in der Zentrale Z untergebracht und über die Klemmen K 3 und K 4 zugänglich ist.

Die Konstantstromquelle K liefert den eingeprägten kon stanten Gleichstrom I _K. Dieser fließt über die Klemme A 1 in die Speiseschaltung A und aus der Speiseschaltung zu rück über die Klemme A 2, sobald die von der Zentrale Z aus betätigten Schalter S 1 und S 2 geschlossen sind. Der Gleichstrom I _K teilt sich auf in einen Teilerstrom I 2 und einen Gegenkopplungsstrom I 1. Unter der Annahme, daß der Widerstand der zur Meßbrücke R führenden Speiseleitungen Null ist, vergleicht der Regelverstärker V 1 die am Gegen kopplungswiderstand R 1 abfallende Spannung U _R ₁ mit der Teilerspannung U _R ₂ am Widerstand R 2 und regelt über sei nen Ausgangswiderstand R 5 und die Diode D die zwischen den Klemmen A 5 und A 6 anstehende Gleichspannung U _A der art, daß der Spannungsabfall an R 1 gleich dem Spannungs abfall an R 2 beträgt nach der Gleichung:

I 2 × R 2 = (I _K - I 2) × R 1 (RL = 0)

Mit

U _A = I 2 × R 3

ergibt sich für

U _A = I _K × ^R ^{1 ×} ^R ³/_R _{1 + R} ₂

Dieser Regelvorgang ergibt eine konstante eingeprägte Aus gangsspannung U _A in einem zulässigen Lastwiderstands-Be reich. Je nach Größe des an die Klemmen A 5 und A 6 ange schlossenen Lastwiderstandes wird der Laststrom I _A mehr oder weniger von der Ausgangsstufe des Regelverstärkers übernommen.

Um den Einfluß der als symmetrisch angenommenen Leitungs widerstände RL 5 und RL 6 bei der 3-Leiterschaltung nach Fig. 1 zu eliminieren, ist die Speiseschaltung A wie folgt zu dimensionieren:
Die Widerstandswerte der beiden Teilerwiderstände R 2 und R 3 werden gleich groß und ihr Widerstandswert ist groß gegen den des Gegenkopplungswiderstandes R 1 gewählt. Dann errechnet sich die Höhe der Gleichspannung U _A nach der Beziehung

U _A = R 1 (I _K- I 2) (R 2 = R 3)

Der über die Meßbrücke R fließende Laststrom I _A erzeugt an den beiden Speiseleitungen mit dem Widerstand RL 5 und RL 6 einen gesamten Spannungsabfall Δ U = 2 × I _A × RL. Für eine konstante Ausgangsspannung U _A ist es erforderlich, daß die Speiseschaltung A den Spannungsabfall Δ U zusätz lich erzeugt. Um dies zu erreichen, wird der Spannungsab fall RL 6 × I _A über die Klemme A 7 auf den nichtinvertie renden Eingang des Regelverstärkers V 1 geschaltet. Dieser Spannungsabfall verursacht infolge der gleich großen Tei lerwiderstände R 2 und R 3, daß die Gleichspannung U _A an den Klemmen A 5 und A 6 um den Spannungsabfall Δ U angehoben wird. Die Speiseschaltung A ermöglicht damit die Ein schaltung von Leitungswiderständen in die Speiseleitungen zwischen der Meßbrücke R und den Klemmen A 5, A 6 und A 7, ohne daß deren Spannungsabfall die Größe der Gleichspan nung U _A nennenswert beeinflußt. Der Leitungswiderstand RL 7 braucht nicht berücksichtigt werden, da dieser klein ist gegenüber dem Eingangswiderstand des Regelverstär kers V 1.

Aus der Beziehung für die Gleichspannung U _A ergibt sich, daß U _A proportional dem eingeprägten Gleichstrom I _K ist, da ein anderer Gleichstrom zu einem entsprechend anderen Spannungsabfall U _R ₁ am Gegenkopplungswiderstand R 1 führt. Die Gleichspannung ist daher von der Zentrale aus pro grammierbar, d. h. durch Vorgabe des Konstantstromes I _K kann die von der Speiseschaltung gelieferte Versorgungs spannung an die erforderlichen Werte für den Widerstands geber R angepaßt werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt eine Schaltungsan ordnung zur Speisung einer Meßbrücke R mit einer Gleich spannung in 4-Leiterschaltung. Sie unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 dadurch, daß in der Speise schaltung A ein Bezugsverstärker V 2 zusätzlich aufgenom men ist, dessen Aufgabe darin besteht, an die Klemme A 6 einen niederohmigen Gleichspannungsanschluß zu legen, der auf dem Potential des Teileranschlusses T liegt. Zu diesem Zweck ist der positive Eingang des als Spannungs folger arbeitenden Bezugsverstärkers V 2 mit dem Teiler anschluß T und sein negativer Eingang mit der Klemme A 7 verbunden.

Verwendet man für V 2 einen handelsüblichen Operationsver stärker, so muß mit einer Ausgangssättigungsspannung ge rechnet werden. Um daher den Operationsverstärker V 2 in nerhalb seiner Aussteuergrenzen betreiben zu können, ist der Widerstand R 3* erforderlich, mit dem die Ausgangs spannung von Anschluß A 6 um den notwendigen Betrag "ange hoben" wird.

An der Speisediagonalen der Meßbrücke R liegt die Gleich spannung U _A an, die über zwei Speiseleitungen mit den Wi derständen RL 5 und RL 6 den Klemmen A 5 und A 6 der Speise schaltung A entnommen ist. Diese Gleichspannung U _A ist durch die Spannungsteilerwiderstände R 2 und R 3 festge legt, die zwischen den Klemmen A 2 und A 8 angeschlossen sind. Von Klemme A 8 führt eine Leitung mit dem Widerstand RL 8 zum oberen Speiseanschluß der Meßbrücke R. Wie be reits anhand des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 er läutert, regelt der Regelverstärker V 1 über seinen Aus gangswiderstand R 5 und die Diode D die Gleichspannung am oberen Speiseanschluß der Meßbrücke derart, daß der Strom I 2 durch den Teilerwiderstand R 2 konstant ist und damit die Summe der Spannungen an R 2 und R 3 konstant ist. Durch die hochohmigen Eingänge des Regelverstärkers V 1 und des Bezugsverstärkers V 2 können die Teilerwiderstände R 2 und R 3 wesentlich größer als der Gegenkopplungswiderstand R 1 gewählt werden. Daraus folgt, daß die Leitungswiderstände RL bis auf einen vernachlässigbaren Restwert nicht in den Wert der Gleichspannung U _A eingehen.

Wie in Fig. 2 angedeutet, können von der Zentrale Z über die Klemmen K 1 bis K 4 weitere Meßstellen angeschlossen werden, die über jeweils vier Schalter entsprechend S 1 bis S 4 zentral anwählbar sind. Jede Meßstelle weist einen Widerstandsgeber auf, der von einer Speiseschaltung ent sprechend der Speiseschaltung A mit einer eingeprägten Gleichspannung versorgt wird. Die Versorgung der einzel nen Speiseschaltungen erfolgt über zwei Leitungen durch die einzige Stromquelle K von der Zentrale Z aus, wobei für jede Meßstelle die Höhe der benötigten Gleichspannung durch die Größe des eingeprägten Gleichstromes I _K wählbar ist.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Speisung eines Widerstandsgebers in einer elektrischen Vielstellen-Meßeinrichtung, bei der der Wider standsgeber (R) durch zwei, drei oder vier Speiseleitungen aus einer Speiseschaltung (A) mit einer konstanten Gleichspannung (U _A) versorgt wird und bei der der Widerstandsgeber über zwei Meßleitungen mit einer Spannungsmeßeinrichtung verbindbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale

a) die Speiseschaltung (A) ist über zwei Leitungen (an Klemmen A 1 und A 2) mit einer Stromquelle (K) verbindbar, die einen konstanten eingeprägten Gleichstrom (I _K) an die Speiseschal tung (A) liefert;
b) die Speiseschaltung (A) enthält einen von dem konstanten ein geprägten Gleichstrom (I _K) durchflossenen Gegenkopplungswider stand (R ₁), der im Strompfad einer Speiseleitung (Klemme A 6) angeordnet ist;
c) die Speiseschaltung (A) enthält ferner einen Regelverstärker (V 1) und einen hochohmigen Spannungsteiler (R 2, R 3), welche aus der Stromquelle (K) gespeist werden;
d) der Ausgang des Regelverstärkers (V 1) ist über einen Wider stand (R 5) mit den Endpunkt (A 1) des Spannungsteilers (R 2, R 3) verbunden und
e) der Regelverstärker (V 1) vergleicht die am Gegenkopplungswi derstand (R 1) abfallende Gegenkopplungsspannung (U _R ₁) mit der an einem Widerstand (R 2) des Spannungsteilers (R 2, R 3) anlie genden Teilerspannung (U _R ₂) und regelt diese Teilerspannung so, daß am Ort des Widerstandsgebers (R) eine vorgebbare konstante Gleichspannung (U _A) zur Verfügung steht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Widerstandsgeber (R) und die Speiseschaltung (A) in räumlicher Nähe am Ort der Messung installiert sind;
- daß die Speiseschaltung (A) über zwei Leitungen (R _L ₁ und R _L ₂) mit der Stromquelle (K) und der Widerstandsgeber (R) über zwei Meßleitungen (R _L ₃ und R _L ₄) mit der Spannungsmeßeinrichtung (V 3) durch Schalter (S 1 bis S 4) elektrisch verbindbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom (I _K) über eine Diode (D) dem Regelverstärker (V 1) zugeführt ist.