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Dokumentenidentifikation DE10131375B4 30.09.2004
Titel Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik und Meßverfahren mit Ausregelung der Leitungseinflüsse
Anmelder Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt, DE
Erfinder Seidenstücker, Dieter, 64293 Darmstadt, DE
Vertreter Behrens, H., Dipl.-Ing., Rechtsanw., 64295 Darmstadt
DE-Anmeldedatum 28.06.2001
DE-Aktenzeichen 10131375
Offenlegungstag 23.01.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.09.2004
IPC-Hauptklasse G01R 17/10

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Meßverfahren mit einer Meßbrückenschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

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 1/4-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.

Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse, Düsseldorf 1999, 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 Operationsverstärker geschaltet, so daß dadurch die beiden Spannungsabfälle in verschiedenen Brückenzweigen wirksam werden und sich bei gleicher Größe kompensieren. Hierdurch werden zwar die Nullpunktfehler vermieden, aber der Einfluß auf die Empfindlichkeit kann damit nicht beseitigt werden.

Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse, Seite 676 ist eine sogenannte Vierleiterschaltung vorbekannt, mit der eine derartige Empfindlichkeitsminderung vermieden wird. Dazu ist ein in Viertelbrückenschaltung befindlicher 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 Brükkenzweige 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.

Aus der DE 199 57 088 A1 ist eine Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik bekannt, mit der alle Leitungsabfälle auf den Speiseleitungen ausgeregelt werden. Dabei wird zwischen einer der Speiseleitungen und einer quasi stromlosen Meßleitung ein zusätzlicher hochohmiger Verstärker geschaltet, der den Spannungsabfall auf einer der beiden Speiseleitungen erfaßt und mit einem Verstärkungsfaktor von 2 verstärkt. Dieser verdoppelte Spannungsabfall wird dann der Brückenspeisespannung zuaddiert, so daß an beiden Halbbrückenzweigen eine um die Speisespannungsabfälle erhöhte Brückenspeisespannung anliegt. Diese Schaltung erfordert für jeden Verstärkerkanal eine Nachregelung der Speisespannung der vollständigen Brücke und deshalb eine separate interne Halbbrücke.

Eine elektrische Vielstellenmeßeinrichtung ist aus der DE 33 44 363 C2 bekannt, die eine von Einflüssen der Leitungswiderstände und der Kontaktwiderstände freie Speisespannung zur Speisung eines Widerstandsgebers zur Verfügung stellt. Dazu ist eine Speiseschaltung vorgesehen, die über zwei Leitungen mit einer Stromquelle verbindbar ist, die einen konstanten eingeprägten Gleichstrom an die Speiseschaltung liefert. Die Speiseschaltung enthält dabei einen von dem konstanten eingeprägten Gleichstrom durchflossenen Gegenkopplungswiderstand, der im Strompfad einer Speiseleitung angeordnet ist. Die Speiseleitung enthält ferner einen Regelverstärker und einen hochohmigen Spannungsteiler, welche aus der Stromquelle gespeist werden. Der Ausgang des Regelverstärkers ist über einen Widerstand mit dem Endpunkt des Spannungsteilers verbunden und der Regelverstärker vergleicht die am Gegenkopplungswiderstand anfallende Gegenkopplungsspannung mit der an einem Widerstand des Spannungsteilers anliegenden Teilerspannung und regelt diese Teilerspannung so, dass am Ort des Widerstandsgebers eine vorgebbare konstante Gleichspannung zur Verfügung steht. Dazu sind aber zwischen dem Widerstandsgeber und der Speiseschaltung mindestens drei Speiseleitungen und zwei Messleitungen erforderlich, die insbesondere bei Vielstellenmeßschaltungen einen hohen Aufwand notwendig machen.

Aus der DE 29 00 323 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung eines Platinwiderstandstermometers bekannt. Dazu ist ein Operationsverstärker in invertierender Schaltung vorgesehen, der mittels einer Hilfsspannung und einem Widerstand dem Messwiderstand und einem dazu in Reihe geschalteten weiteren Widerstand einen konstanten Strom einprägt. Weiterhin ist noch ein zweiter Operationsverstärker vorgesehen, der die Spannung am in Reihe geschalteten Widerstand der gleich dem Messwiderstand ist, mit doppelten Verstärkungsfaktor vergrößert und die Summenspannung am Messwiderstand und den dazu in Reihe geschalteten Widerstand mit einem einfachen, gleichen Verstärkungsfaktor verkleinert und somit die Ausgangsspannung bildet, die den Strom durch den Messwiderstand und den dazu in Reihe geschalteten Widerstand linearisierend korrigiert. Diese Schaltungsanordnung ist nicht geeignet, längere Anschlußleitungen in einer Messbrückenschaltung zu kompensieren.

Eine Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Kompensation des ohmschen Widerstandes der Verbindungsleitungen zwischen Widerstandsgebern und einem Messgerät ist aus der DE 25 18 422 A1 bekannt. Bei dieser Messschaltung bildet der Widerstandsgeber einen Teil des Brückenzweiges in einer Brückenschaltung, deren Diagonalspannungen dem Eingang eines Verstärkers zugeführt werden. Der Widerstandsgeber wird auch hier mit einem konstanten Strom gespeist. Für den Betrieb der Schaltung sind ebenfalls drei Leitungen erforderlich, zudem wird ein Hilfsverstärker benötigt, der über getrennte Leitungen mit einer Hilfsspannung zu versorgen ist.

Eine Schaltungsanordnung zur Messung von Widerständen ist aus der DE 24 47 629 A1 bekannt, die eine Dreileiterschaltung zum Ausgleich von Leitungseinflüssen darstellt. Dazu ist eine Konstantstromquelle zur Speisung des Messwiderstandes über zwei der drei Leiter durch mindestens einen Operationsverstärker vorgesehen, dessen Eingänge einerseits mit einem stromführenden Leiter und andererseits mit dem dritten Leiter zur Bestimmung des Spannungsabfalls an einem stromführenden Leiter verbunden sind. Dabei ist der Verstärker so geschaltet, dass an seinem Ausgang eine gegenüber der Eingangsspannung invertierte und dem Betrage nach dem Spannungsabfall in einem stromführenden Leiter angepasste Ausgangsspannung erscheint, die zur Kompensation des Spannungsabfalls an beiden stromführenden Leitern verwendet wird. Zur Dehnungsmessung in Vollbrückenschaltungen ist eine derartige Konstantstromspeiseschaltung allerdings nicht geeignet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßbrückenschaltung mit Einzeldehnungsmeßstreifen in Dreileitertechnik und ein damit durchführbares Meßverfahren zu schaffen, durch die auch längere Anschlußleitungen kompensierbar sind und dies bei geringstem Aufwand.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und 6 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Brückenversorgung und die interne Halbbrücke außerhalb des Regelkreises vorgesehen sind. Dies ermöglicht bei mehrkanalig ausgeführten Meßverstärkern nur eine globale Brückenspeisung und nur eine interne Halbbrücke auszuführen, welche von allen Meßkanälen einer Verstärkerbaugruppe genutzt werden können. Insbesondere bei der Vielkanalmeßtechnik zur Dehnungsmessung mit Dehnungsmeßstreifen an belasteten Bauteilen wird dadurch der Schaltungsaufwand und der dafür notwendige Platzbedarf erheblich verringert. Dabei hat sich bei der Dehnungsmessung eine Speisespannungsversorgung der Brücke als vorteilhaft erwiesen, da sich hierbei die Brücke linear verhält.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch die Ausregelung der Leitungsspannungsabfälle nur in der Dehnungsmeßstreifenviertelbrücke oder nur in der Ersatzwiderstandsviertelbrücke keine Nullpunktverschiebung und kein Empfindlichkeitsverlust eintritt. Dazu kann die gesamte Leistungsausregelung durch einen Kompensationsverstärker und eine Spannungsteilerschaltung erfolgen, wodurch der Schaltungsaufwand und der Platzbedarf insbesondere bei Vielstellenmeßschaltungen minimiert werden kann.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

1: eine Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik mit Ausregelung der Leitungseinflüsse.

In 1 der Zeichnung ist eine Meßbrückenschaltung mit einem Dehnungsmeßstreifen 1 in ¼-Brückenschaltung dargestellt, der über drei Anschlußleitungen 7 mit den weiter entfernt angeordneten Brückenzweigen in einer Meßverstärkerschaltung 3 verbunden ist, an die eine interne Halbbrücke 5 und eine Speisespannungsversorgung 6 angeschlossen ist.

Die Brückenschaltung besteht im wesentlichen aus einem Dehnungsmeßstreifen 1, der als veränderbarer Widerstand dargestellt ist. Dieser Dehnungsmeßstreifen 1 ist an einem nicht dargestellten zu messenden Bauteil befestigt. Dabei wird in der Regel die Dehnung dieses belasteten Bauteils in einem Versuchsaufbau gemessen. In der Praxis können deshalb einige tausend dieser Dehnungsmeßstreifen 1 an dem zu untersuchenden Bauteil angebracht sein, die dann mit den weiter entfernt angeordneten Meßverstärkerschaltungen 3 verbunden sind. Jeder Dehnungsmeßstreifen 1 ist zur Erfassung der Dehnung als ¼-Brücke geschaltet und über zwei Anschlußpunkte mit den drei Anschlußleitungen 7 mit der übrigen Meßbrückenschaltung 3, 5, 6, 10 verbunden. Dabei können die Anschlußleitungen auch bis zu einigen hundert Metern Länge betragen und sind deshalb aus Kosten- und Platzgründen meist aus dünnen Kupferleitungen gefertigt. Da zwei Anschlußleitungen 2, 4 zur Speisung des Dehnungsmeßstreifens 1 dienen, verursachen diese Kupferleitungen durch ihre Leitungswiderstände RL1 und RL2 die Spannungsabfälle &Dgr;U1 und &Dgr;U2. Diese beiden Anschlußleitungen 2, 4 sind mit der Meßverstärkerschaltung 3 verbunden, die im wesentlichen aus der Ergänzung des Viertelbrückenzweiges und der Leitungsausregelung besteht.

Der Dehnungsmeßstreifen 1 ist mit einer ersten Speiseleitung 2 mit dem Ausgang eines ersten Kompensationsverstärkers V1 verbunden, der mit seinem hochohmigen Minuseingang mit einer Fühlerleitung 2' beschaltet ist. Der andere Verstärkereingang ist über einen Spannungsteiler R1, R2 mit der Speisespannungsquelle 6 und einer internen Hilfsbrücke 5 verbunden. Die Spannungsteilerschaltung besteht aus den Widerständen R1 und R2, die gleiche elektrische Werte besitzen. Dabei ist der Widerstand R2 im Rückkopplungszweig (Mitkopplung) des Kompensationsverstärkers V1 zum Ausgang 2 angeordnet. Dadurch erhöht sich die Ausgangsspannung des Kompensationsverstärkers V1 bei einem Speisespannungsverlust auf der Speiseleitung 2 um den doppelten Betrag. Damit wird gleichzeitig auch der als gleich groß angenommene Leitungsverlust &Dgr;U1 auf der Speiseleitung 4 ebenfalls mit ausgeregelt, so daß alle Leitungsspannungsabfälle &Dgr;U1 und &Dgr;U2 vollständig im Viertelbrückenzweig des Dehnungsmeßstreifens 1 kompensiert werden.

Eine zweite Speiseleitung 4 des Dehnungsmeßstreifen 1 ist zum einen mit dem Ergänzungswiderstand 8 in der Meßverstärkerschaltung 3 verbunden, der die Viertelbrücke des Dehnungsmeßstreifens 1 zu einer Halbbrücke ergänzt. Der zweite Anschluß des Ergänzungswiderstandes 8 ist mit der internen Halbbrücke 5 und der Speisespannungsquelle 6 verbunden. Da beide Leitungsspannungsabfälle dem Dehnungsmeßstreifen-Viertelbrückenzweig zugeschlagen werden, entsteht keine Nullpunktabweichung im Diagonalmeßzweig der Vollbrücke, so daß der Meßwert durch den Verstärker V3 direkt im Diagonalzweig erfaßt und verstärkt werden kann.

Der Diagonalmeßzweig wird durch den Mittelabgriff zwischen dem Dehnungsmeßstreifen 1 und dem Ergänzungswiderstand 8 an der Meßleitung 4, sowie dem Mittelabgriff 9 an der internen Halbbrücke 5 mit den beiden gleichartigen Hilfswiderständen RH gebildet, die mit den beiden Viertelbrücken aus den Dehnungsmeßstreifen 1 und dem Ergänzungswiderstand 8 eine Wheatstone'sche Vollbrücke darstellt. Da die Speisespannung durch die Nullpunktstabilität im Diagonalzweig nicht nachgeregelt werden muß, kann die interne Halbbrücke 5 direkt an eine konstante Brückenspannung gelegt werden und global für alle Verstärkerschaltungen außerhalb des jeweiligen Verstärkerkanals 3 angeordnet sein. Dadurch kann auch die Brückenspannungsquelle 6 noch von weiteren Meßverstärkerschaltungen 5 anderer Meßkanäle genutzt werden, wodurch bei einer Vielstellenmeßverstärkergruppe erhebliche Bauelemente und Bestückungsraum einzusparen sind. Der direkt im Diagonalzweig 4, 9 angeordnete Meßverstärker V3 erfaßt und verstärkt dabei unmittelbar die Dehnung oder einen davon abgeleiteten Meßwert am Dehnungsmeßstreifen 1, der in einer Anzeigevorrichtung 10 anzeigbar und/oder in einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung weiterverarbeitbar ist.


Anspruch[de]
  1. Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik, die aus mindestens einem Dehnungsmeßstreifen besteht, der über drei Anschlußleitungen mit einer Meßverstärkerschaltung, einer internen Halbbrücke und einer Speisespannungsversorgung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Speiseleitung (2, 4) und einer Fühlerleitung (2') ein Kompensationsverstärker (V1) zur Ausregelung der Spannungsabfälle auf den Speiseleitungen (2, 4) vorgesehen ist, wobei im Rückkopplungszweig (Mitkopplung) des Kompensationsverstärkers (V1) ein Spannungsteiler mit zwei gleich großen Widerständen (R1 und R2) geschaltet ist, durch den der Spannungsabfall auf der einen Speiseleitung (2) doppelt ausgeregelt wird, wodurch sich die Ausgangsspannung des Kompensationsverstärkers (V1) verdoppelt.
  2. Meßbrückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Brückenspeisung eine konstante Speisespannungsquelle (6) vorgesehen ist, deren Spannung unmittelbar an der internen Halbbrücke (5) sowie am Spannungsteilerwiderstand (R1) und am Ergänzungswiderstand (8) anliegt.
  3. Meßbrückenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die interne Halbbrücke (5) als auch die Speisespannungsquelle (6) als außerhalb der jeweiligen Messverstärkerschaltung (3) angeordnete Schaltungselemente vorgesehen sind und diese auch mit weiteren Meßverstärkerschaltungen (3) verschaltbar sind.
  4. Meßbrückenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung als hochohmiger Operationsverstärker (V3) ausgebildet ist, dessen Eingang unmittelbar an die Anschlußpunkte (4, 9) der Vollbrücke geschaltet ist und an dessen Ausgang ein Meßsignal anliegt, das der Meßgröße am Dehnungsmeßstreifen proportional ist.
  5. Meßbrückenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergänzungsviertelbrücke aus dem Ergänzungswiderstand (8) besteht und in der Meßverstärkerschaltung (3) integriert ist.
  6. Verfahren zur Erfassung von Meßwerten mit einer Meßbrükkenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßstreifen (1) an einem belasteten Bauteil appliziert ist, dessen Dehnung mit einer Brückenspeisung mit einer konstanten Spannungsquelle, die mit dem Dehnungsmeßstreifen in Dreileitertechnik verbunden ist, ermittelt wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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