DE2839617A1 - Messanordnung - Google Patents

Description

• MeBanordnung
• Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit einem Meßwertgeber, einem diesem nachgeschalteten Verstärker un-d mit einer Speisespannungsquelle für die Meßanordnung und den Verstärker.
• Aus der Zeitschrift ATM (Archiv für Technisches Messen) B1. 5-135 sind verschiedene Meßanordnungen bekannt, die als Meßwertgeber eine Brückenschaltung enthalten In all den Fällen, in denen die Meßwertgeber mit einer Speisespannung versorgt werden und die Meßsignale verstärkt werden müssen, beeinflussen nicht nur die Widerstände der Verbindungsleitungen zwischen der Speisespannungsquelle und dem Meßwertgeber sowie dem Verstärker, sondern auch die Temperaturabhängigkeit der einzelnen Baueinheiten das Meßergebnis. In derselben Literaturstelle sind als Beispiel für eine Meßanordnung mit einer Brückenschaltung Wägezellen beschrieben, mit denen Zug- oder Druckkräfte in elektrische Signale umgesetzt werden und bei welchen Dehnungsmeßstreifen in einer Brückenschaltung auf einem Sießkörper, der als Stab oder Rohr ausgebildet sein kann, angebracht sind. Derartige Dehnungsmeßstreifenbrücken werden meistens mit Gleichspannung oder -strom gespeist, und sie liefern an ihrem Ausgang eine der zu messenden Kraft proportionale Spannung. Infolge der Verwendung von fertigungstechnisch leicht herzustellenden Stab- oder Rohrkörpern als Träger für die Dehnungsmeßstreifen besteht eine nichtlineare Abhängigkeit des Ausgangssignals der Dehnungsmeßstreifenbrücke von der Belastung. Diese Nichtlinearität kann mit Hilfe elektrischer Linearisierungsnetzwerke oder durch Verwendung von aufwendigeren Meßkörpern verringert oder beseitigt werden.
• Ein weiteres Problem solcher Meßanordnungen kann die geringe Ausgangsspannung des Meßwertgebers sein. Alan verwendet deshalb entweder hochwertige Meßverstärker oder wendet Kompensationsmeßverfahren an. Zur Verhinderung des Einflusses von Störspannungen auf den Meß- und Speiseleitungen kann man die Kabel abschirmen. Sehr störend können die Temperaturfehler sein, die im Meßwertgeber, auf den Kabeln und im Meßverstärker auftreten können.
• Zur Verminderung dieser Fehler kann man den Temperaturgang des Meßwertgebers kompensieren, man kann Kabel mit großem Querschnitt verwenden und mit eingeprägtem Strom arbeiten, und als Meßverstärker wird man Verstärker mit kleinem Driftverhalten auswählen. Diese Maßnahmen müssen unabhängig voneinander getroffen werden.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, mit der die oben geschilderten Probleme vereinfacht werden.
• Hierzu sind erfindungsgemäß der Meßwertgeber, der Verstärker und die Speisespannungsquelle wärmeleitend zu einer Baueinheit verbunden. Mit einem solchen Aufbau der Meßanordnung wird nicht nur erreicht, daß der Meßwertgeber, der Verstärker und die Speisespannungsquelle über kurze Leitungen miteinander verbunden sind, so daß der Einfluß von Störspannungen auf diesen Leitungen vermindert ist, sondern daß auch diese Bauteile dieselbe Tem-' peratur haben und nur ein Temperaturabgleich für die ganze Anordnung erforderlich ist.
• Besteht der Meßwertgeber aus einem leicht herzustellenden Stab- oder Röhrkörper, auf den die Dehnungsmeßstreifen aufgebracht sind, deren Ausgangssignal daher nichtlinear von der zu messenden Kraft abhängt, so ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die die Wägezelle, den Verstärker und die Speisespannungsquelle enthaltende Baueinheit ferner ein elektrisches Linearisierungsnetzwerk umfaßt, mit dem die Nichtlinearität des Meßwertgebers kompensiert wird. Mit einer solchen Anordnung kann auch der Temperaturgang des Linearisierungsnetzwerkes in den Abgleich für die gesamte Anordnung einbezogen werden.
• Anhand der Zeichnung, in der das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.
• Mit DM1, DM2, DM3 und DM4 sind vier Dehnungsmeßstreifen bezeichnet, die zusammen mit weiteren Widerständen RG1 und RG2 sowie RT2, R2 und RT3, R3 eine Wheatston'sche Bücke bilden. Die Dehnungsmeßstreifen DM1 und DM4 sollen beispielsweise auf Zug, die Meßstreifen DM2 und DM3 auf Druck beansprucht werden.
• Die Dehnungsmeßstreifenbrücke wird über Widerstände RT1 und R1 aus einer geregelten Gleichspannungsquelle gespeist. Eine ungeregelte Gleichspannung UE ist über eine Entkopplungsdiode D3 auf den Kollektor eines Transistors T1 geführt, der von einem Verstärker V1 gesteuert ist.
• Dieser vergleicht die am Abgriff eines Spannungsteilers mit den Widerständen R4 und R5 auftretende Istspannung mit der mittels einer Zenerdiode Z erzeugten Referenzspannung und steuert den Transistor T1 im Sinne einer Stabilisierung der am Spannungsteiler R4, R5 liegenden Spannung gegen Belastungsänderungen und Änderungen der Eingangsspannung UE. Mit Hilfe der temperaturabhängigen Widerstände RT2 oder RT3 wird der Nullpunkt-Temperaturfehler der Brückenschaltung kompensiert. Der Temperaturgang des Kennwertes für die Meßanordnung wird mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstandes RT1 abgeglichen, zu dem ein Widerstand R1 in Reihe geschaltet ist und dem über Klemmen K1, K2 ein ohmscher Widerstand parallelgeschaltet werden kann.
• Die Diagonalspannung der Brückenschaltung, das ist die Meßspannung, ist den beiden Eingängen eines Verstärkers V2 zugeführt, än den eine Ausgangsstufe mit zwei Transistoren T2, T3 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors T3 ist über eine nicht bezeichnete Widerstandskondensator-Kombination mit dem Kollektor des Transistors T2 verbunden. Der Kollektorstrom des Transistors T3 ist im wesentlichen über einen Widerstand RL und den Widerstand RG1 geführt. Diese beiden Widerstände bilden ein Gegenkopplungsnetzwerk; der Spannungsabfall am Widerstand RG1 kompensiert die in der Brückendiagonale auftretende Meßspannung, so daß der Transistor T3 einen der Meßspannung proportionalen Strom liefert. Dieser Strom fließt über einen Strommeßwiderstand RM, der außerhalb der Baueinheit angeordnet ist. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand ist proportional zur Meßspannung.
• In der Regel ist die Meßspannung nicht streng proportional zu der zu messenden Last. Aus diesem Grunde ist dem linearen Verstärker mit dem Verstärker V2 sowie den Transistoren T2 und T3 ein Linearisierungsnetzwerk mit Transistoren T4, T5 nachgeschaltet. Jeder dieser Transistoren liegt über einen Emitter-Widerstand RI1 bzw. RI2 am Abgriff eines Spannungsteilers RV1, REl bzw. RV2, RE2. Mit dem jeweiligen Spannungsteilerverhältnis lassen sich die Basis-/Emitterspannungen der Transistoren T4, T5 einstellen, bei welchen die Transistoren T4, T5 beginnen, Strom zu führen. Die Stärke dieser Ströme ist durch die Widerstände RI1, RI2 bestimmt. Diese Ströme werden auf einen Summierpunkt S geführt und dem Emitterstrom des Transistors T3 überlagert, so daß durch den Meßwiderstand RM ein Strom fließt, der mit der an der Brückendiagonale auftretenden Meßspannung in einem nichtlinearen Zusammenhang steht. Diese Nichtlinearität kann durch geeignete Bemessung der Widerstände RV1, RV2, RI1, RI2, RE1, RE2 so bemessen werden, daß die Nichtlinearität des Meßwertgebers kompensiert ist. Zur Verbesserung der Kompensation kann das Linearisierungsnetzwerk erweitert werden, indem weitere Transistoren vorgesehen sind, die entsprechend den Transistoren T4, T5 beschaltet sind.
• Zwei Dioden D1, D2 dienen zur Erzeugung der negativen Betriebsspannung der Verstärker V2.
• In der beschriebenen Anordnung sind die Leitungen so kurz, daß ihr Widerstand und insbesondere ihre Widerstandsänderungen keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben, Etwaige Temperaturfehler der Speisespannung der Dehnungsmeßstreifenbrücke, die durch den Temperaturgang der Zenerdiode Z, der Spannungsteilerwiderstände R4, R5 und der Parameter des Verstärkers V1 bedingt sind, werden bei dem für die Meßanordnung ohnehin erforderlichen Temperaturabgleich des Kennwertes mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstandes RT7 gemeinsam abgeglichen, d. h.
• es ist kein zusätzlicher Arbeitsgang hierfür erforderlich.
• Störende Thermospannurigen treten nicht auf.
• Gleiches gilt für den Verstärker V2 und die an ihn angeschlossene Ausgangsstufe mit den Transistoren T2, T3.
• Bei der Kompensation des Nullpunkt-Temperaturfehlers der Brückenschaltung mit Hilfe der temperaturabhängigen Widerstände RT2 oder RT3 wird auch ein Restfehler des Verstärkers V2 und der angeschlossenen Ausgangsstufe in einem Arbeitsgang abgeglichen. Die Verwendung hochwertiger Verstärker ist nicht erforderlich. Die Probleme, welche durch die Temperaturfehler des Meßwertgebers, der Kabel und des Meßverstärkers auftreten und welche durch die geringe Ausgangsspannung des Meßwertgebers sowie durch. die Störspannungen auf den Meßwert- und Speiseleitungen bedingt sind, sind daher weitgehend beseitigt.
• Ein besonderer Vorteil des beschriebenen Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die Nichtlinearität des Meßwertgebers kompensiert werden kann, und zwar mit einer Linearisierungsschaltung, die nur wenige Bauelemente erfordert und die besonders geeignet ist, die für stab- oder rohrformige Meßkörper für Dehnungsmeßstreifenbrücken typische Nichtlinearität auszugleichen. Die Verwendung einer solchen Linearisierungsschaltung ist u. a. dadurch ermöglicht, daß der einen eingeprägten Strom liefernde Verstärker mit dem Meßwertgeber in ein Gehäuse einbezogen ist. Der Temperaturgang der Linearisierungsschaltung ist durch den Abgleich mit den temperaturabhEngigen Widerständen RT1, RT2 und RT3 ebenfalls kompensiert.

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Meßanordnung mit einem Meßwertgeber, einem diesem nachgeschalteten Verstärker und mit einer Speisespannungsquelle, d a d u r c h g e k e n n z e i c 11 n e t daß der Meßwertgeber (DM1, DM2, DM3, DM4), der Verstärker (V2, T2, T3) und die Speisespannungsquelle (Z, V1, T1) für den Meßwertgeber und den Verstärker wärmeleitend zu einer Baueinheit verbunden sind.
2. 2. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Meßwertgeber eine BrUckenschaltung -aus Dehnungsmeßstreifen (DM1, DM2, DM3, DM4) ist.
3. 3. Meßanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß in die Stromzuleitung zur Brückenschaltung (DM1, DM2, DM3, DM4) ein temperaturabhängiger Widerstand (RT1) geschaltet ist.
4. 4. Meßanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zum Temperaturabgleich dem temperaturabhängigen Widerstand (RT1) ein ohmscher Widerstand parallel schaltbar ist.
5. 5. Meßanordnung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in einen Zweig (DM1, DM3) der Brückenschaltung ein Widerstand (RG1) geschaltet ist, der vom Ausgangsstrom des Verstärkers (V2, T2, T3) durchflossen ist.
6. 6. Meßanordnung nach Anspruch 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in die beiden Teilzweige (DM2, DM4) eines Zweiges der Brückenschaltung jeweils ein temperaturabhängiger Widerstand (RT2, RT3) zur Kompensation des Nullpunkt-Temperaturfehlers der BrUckenschaltung geschaltet ist.
7. 7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einem linearen Verstärker (V2, T2, T3) ein Linearisierungsnetzwerk zugeschaltet ist.
8. 8. Meßanordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Linearisierungsnetzwerk aus mehreren Transistoren (T4, T5 besteht, deren erster Steuerelektrode, vorzugsweise der Basiselektrode, eine von der Brückenausgangsspannung abgeleitete Spannung zugeführt ist, und deren zweiter Steuerelektrode, vorzugsweise der Emitter-Elektrode, über einen Widerstand (ei7, RI2) an die Abgriffe von zwischen einer Konstantspannung liegenden Spannungsteilern (RV1, RE1; RV2, RE2) angeschlossen sind, und deren Kollektorströme zusammen mit dem Ausgangs strom des linearen Verstärkers (V2, T2, T3) auf einen Summierpunkt (S) geführt sind, von dem der Ausgangsstrom der Meßanordnung abnehmbar ist.