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Elektrische Brückenschaltung mit Verstärker zur Verwendung als Meßumfonner,
insbesondere für Temperaturen Es sind Brückenschaltungen für Temperaturmessungen
bekannt, bei denen an die beiden Pole des Galvometerzweiges ein elektrischer in
sich gegengekoppelter Verstärker nachgeschaltet wird, welcher die notwendige Leistung
zum Betreiben von Regel-und Steuergeräten oder Meßwertumformern abgibt und meistens
gleichzeitig die Meßbereiche in Einheitsmeßbereiche dadurch verwandelt, daß seine
Gegenkopplung entsprechend eingestellt wird. Oder die Meßbereiche werden durch Verändern
der Brìickenempfindlichkeit eingestellt. Der Ausgang dieses Verstärkers liefert
einen Wert in Strom und Spannung. Dieser Wert ist ein lineares Abbild der Brückenverstimmung
und damit ein eindeutiges Ab bild des Widerstandswertes des Temperaturfühlers und
somit der zu messenden Temperatur.
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Die Technik verlangt heute einerseits vereinheitlichte Temperaturfühler
und andererseits leicht umschaltbare Meßbereiche. Die größte Brückenverstimmung,
welche am Ausgang bzw. Galvanometerzweig der Brücke erscheint, ist im wesentlichen
abhängig von der Größe des Meßbereiches. besonders dann, wenn der Gesamtwiderstand
der Brückenmeßzweige an den Fühlwiderstand angepaßt wird, wenn also die Brücke empfindlich
mißt. Die Folge ist, daß der Ausgangswert der Brücke nicht linear abhängig ist vom
Widerstandswert des Temperaturfühlers, und zwar um so mehr, je größer der Temperaturbereich
ist. Unlinearitäten und insbesondere veränderliche Unlinearitäten machen aber eine
einheitliche Meß bereicheichung von Einheitsmeßgeräten schwierig oder unmöglich.
Diese Schwierigkeiten erhöhen sich noch, wenn Grenzwerte von Strömen und Spannungen
eingehalten werden müssen, welche die Explo sionsvorschrift verlangt.
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Es ist in diesem Zusammenhang weiter bekannt, durch geeignete zusätzliche
Einstellwiderstände oder Abgleichpotentiometer in den Meßzweigen der Brücke die
Brückenverstimmung selbsttätig auszugleichen bzw. auf Null abzustimmen. Dann ist
die Anderung der Ausgleichwiderstände ein Maß für die zu messende Größe.
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Es läßt sich hier eine unmittelbare proportionale Abhängigkeit der
Widerstandsänderung von der Fühleränderung erreichen, so daß die Unlinearitäten
entfallen. Es ist aber ein Einstellwerk für die Verstellung der zusätzlichen Einstellwiderstände
notwendig, welches von dem an dem Brückenausgang angeschalteten Verstärker gesteuert
wird, und die Stellung der Widerstandsbetätigung ist das Maß für die zu messende
Größe. Diese Stellung muß dann ihrerseits in Strom- oder Spannungswerte umgeformt
werden.
Dieser Umstand ist wegen seines großen Aufwandes sehr nachteilig.
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Die nachfolgende beschriebene Brückenschaltung vermeidet diese Nachteile
und stellt in ihrem Verhalten in gewisser Weise eine Vereinigung der erwähnten Schaltungen
dar.
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ErfindungsgemälS wird in einen Meßzweig der Brücke, z. B. in den
Meßzweig des Fühlwiderstandes ein zusätzlicher Widerstand eingesetzt, der ganz oder
teilweise an den Ausgang des Verstärkers angeschak tet ist.
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Der Verstärker braucht in sich nicht gegengekopperlt zu sein, so
daß die von dem Brückenausgang zu leistende Steuerung auf den Verstärker jetzt nicht
mehr von dessen durch die Gegenkopplung herabgesetzten Empfindlichkeit bestimmt
wird, sondern von dessen ganzer Geradeausempfindlichkeit. Die Geradeausempfindlichkeit
eines hierfür geeigneten Verstärkers beträgt etwa das 50- bis 10001achse der Empfindlichkeit
des gegengekoppelten Verstärkers, d. h., daß bei einer Schwankung des Temperaturfühlwiderstandes
das Brückengleichgewicht nur noch Vo bis 111000 schwankt im Vergleich zu dem Fall,
daß der Verstärker in sich gegengekoppelt an den Brückenausgang angeschlossen ist.
Diese nur noch geringe Schwankung des Brückengleichgewichtes gewährleistet schon
alleine eine ausgezeichnete Linearität der Brücke. Außerdem wird hierdurch bewirkt,
daß die Brücke praktisch nicht mehr im Ausschlagverfahren, sondern im Kompensationsverfahren
arbeitet, ohne daß ein Stellantrieb zusätzliche Einstellwiderstände steuert.
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Das hat weiter nachweislich zur Folge, daß der durch den Kompensationswiderstand
geschickte Strom oder Stromanteil des Verstärkerausgangs bei
abgestimmter
Brücke ausschließlich durch den Kom pensationswiderstand fließt. Dieses Verhalten
bedingt eine ausgezeichnete gute Linearität der Gs samtanordnung. Außerdem leitet
sich hiervon eine sehr wirksame und einfache Meßbereicheinstellung ab. Die Meßbereicheinstellung
erfolgt erfindungsgemäß z. B. dadurch,.daß von dem Kompensationswiderstand der Anteil,
welcher von dem Ausgang strom des Verstärkers durchflossen wird, veränderbar gemacht
wird. Das geschieht z. B. mit Hilfe eines Schleifkontaktes in Potentiometerschaltung.
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Wenn man berücksichtigt, daß der Ausgangsstrom des Verstärkers neben
dem Kompensationswiderstand einen Nutzwiderstand speist, der einen zusätzlichen
Verstärkereingangswiderstand oder den Eingang z. B. eines elektropneumatischen oder
elektrohydraulischen Meßwertumformers oder Reglers oder eines Meß- oder Schreibgerätes
darstellen kann, so gilt das über den Schleifkontakt Gesagte auch für die Anpassung
der Ausgangsströme des Verstärkers an diese Geräte.
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Eine weitere Wirkung ist darüber hinaus die, daß die größte Brückenverstimmung
nur von der Geradeausempfindlichkeit des Verstärkers abhängig ist, ohne daß hier
die Größe des eingestellten Meßbereiches einen Einfluß hat.
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Betreibt man die beschriebene Kompensation mit einem Verstärker,
welcher eine zwar hohe aber endliche Verstärkung hat, so wird die Verstimmung der
Brücke am Ausgang nicht ganz auf Null zurückgeführt. Für diesen Restanteil bleibt
eine eindeutige und außerordentlich lineare Abhängigkeit vom Wert des Fühlwiderstandes
erhalten, und der bleibende kleine Proportionalbereich bei der Einregelung des Brückengleichgewichtes
kommt der Stabilität und der Schnelligkeit des Einregelvorganges zugute, ohne daß
man für ein besonderes Zeitverhalten im Falle einer echten (vollständigen bzw. integralen)
Kompensation sorgen muß.
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Der Temperaturfühlwiderstand schließlich ist zu nächst als rein ohmscher
Widerstand vorgesehen. Ist die Brücke einschließlich des Kompensationswiderstandes
für Wechselstrom ausgelegt, dann kann ein Temperaturfühler mit einem kapazitiven
oder induktiven Widerstand oder Widerstands anteil angeschaltet werden. Auch kann
ein Fühlwiderstand, außerhalb der Brücke liegend, einen Strom oder eine Spannung
auf einen anderen an seiner Stelle in der Brücke liegenden Widerstand erzeugen,
wobei auch hier die Brücke als Gleich- oder Wechselstrombrücke ausgelegt ist Hiermit
wird dann die erfindungsgemäße Brückenschaltung anwendbar auf elektrische Ferngeber
ganz allgemein.
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Die Brücke wird entweder mit Gleichspannung oder Gleichstrom erregt,
oder sie wird mit Wechsel spannung oder -strom erregt. Die Erregung erfolgt mit
eingeprägten Strom- oder Spannungswerten.
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Die Arbeitsweise der Brückenschaltung wird nachfolgend an dem Beispiel
der Abb. 1 erläutert. Die Brückenschaltung besteht aus dem Meßzweigwiderständen
1, 2 und 3 und dem veränderlichen Temperaturfühlwiderstand 4. In den Meßzweig 9
bis 12 mit dem Temperaturfühlwiderstand 4 ist ein zusätzlicher Widerstand 5 eingesetzt,
der ganz oder teilweise an den Ausgang des Verstärkers 7 angeschaltet ist.
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Schließlich enthält die Brücke zur Einstellung des Meßbereichanfangs
ein Einstellpotentiometer6. Ein Verstärker 7 liegt mit seinen Eingangsklemmen an
den
Brückeneckpunkten 8 und 9. Der Ausgang dieses Verstärkers 7 wirkt über den Nutzwiderstand
10 und den Ausschalter 11 auf den Brückeneckpunkt 12 und den Abgriff 13 des Kompensationswiderstandes
5.
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Die Brückenschaltung wird durch die Hilfsenergiequelle 14 an den Eckpunkten
12 und 15 erregt. Die Anschaltung des Verstärkers 7 erfolgt in der Weise, daß eine
durch die Änderung des Widerstandes 4 hervorgerufene Verstimmung der Brücke durch
den auf einen Teil des Widerstandes 5 wirkenden Ausgangsstrom ganz oder fast ganz
ausgeglichen wird.
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Zunächst werde bei geöffnetem Schalter 11 die Brücke mit Hilfe des
Schleifers 8 des Widerstandes 6 abgeglichen. Damit ist für einen bestimmten Widerstandswert
des Temperaturfühlers 4, d. h. für eine bestimmte Temperatur, die Eingangsspannung
des Verstärkers 7 auf Null eingestellt, d. h., der Anfangs punkt des Temperaturmeßbereiches
ist mit dem Schleifer 8 eingestellt worden. Hierauf wird der Schalter 11 geschlossen.
Zunächst fließt kein Ausgangsstrom, weil an dem Eingang des Verstärkers 7 keine
Spannung vorhanden ist. Wird infolge einer Temperaturerhöhung der Widerstandswert
des Fühlers4 größer, dann tritt an den Eingangsklemmen des Verstärkers 7 zunächst
infolge der Brückenverstimmung eine Spannung auf, welche einen Ausgangsstrom des
Verstärkers 7 auslöst und eine Kompensationsspannung in diesen Brückenkreis aufbaut,
die das Brückengleichgewicht unverzüglich um so genauer wiederherstellt, je höher
die Verstärkung des Verstärkers 7 ist. Im abgeglichenen Zustand fließt der Ausgangsstrom
des Verstärkers vollständig oder fast vollständig durch den zwischen dem Schleifer
13 und dem Endpunkt 12 der Brücke liegenden Anteil des Widerstandes 5, weil sich
ja unterdessen an den Widerständen der übrigen Brückenzweige und der Brückenerregung
nichts geändert hat und in anderer Weise ein Brückengleichgewicht nicht herstellbar
ist. Der Fühlwiderstand 4 und der unter dem zusätzlichen Einfluß des Verstärkerausgangsstromes
stehende Anteil des Kompensationswiderstandes 5 zusammengenommen verhalten sich
so, wie ein Festwiderstand, welcher unabhängig bzw. nahezu unabhängig von dem Augenblickswert
des Fühlwiderstandes und somit der Temperatur ist.
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Anders erklärt sieht der Vorgang etwa so aus, daß bereits bei einer
kleinen z. B. stoßweisen Änderung des Fühlwiderstandes4 der Verstärker 7 voll ausgesteuert
wird, dessen zunächst konstanter Sättigungsstrom über die Strecke 12 bis 13 des
Kompensationswiderstandes das gestörte Brückengleichgewicht so weit abbaut, bis
der Ausgang der Brücke 8, 9 nicht mehr in der Lage ist, den Verstärker 7 voll auszusteuern.
Alsdann stellt sich zwischen dem letzten Rest einer Brückenverstimmung und dem durch
den Kompensationswiderstand fließenden Verstärkerausgangsstrom ein Gleichgewicht
ein. Die Brücken schaltung transformiert sozusagen die Strecke 12 bis 13 des Kompensationswiderstandes
als Gegenkopplung auf den Verstärker, so daß die restliche sehr kleine Verstimmung
der Brücke und der durch sie ausgelöste Ausgangsstrom des Verstärkers 7 ein lineares
Abbild der Abweichung des Fühlwiderstandes 4 darstellt. Der Grad dieser Gegenkopplung
ist abhängig von der Größe des im Ausgangskreis des Verstärkers 7 liegenden Anteiles
12 bis 13 des Kompensationswiderstandes 5. Durch Verstellen dieses Anteiles, beispielsweise
durch Betätigen des
Schleifers 13, wird somit die Empfindlichkeit
bzw. der Temperaturmeßbereich eingestellt.
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In der A b b. 2 ist eine geänderte Schaltung dargestellt. Der Widerstand
6 mit dem Schleifer 8 der A b b. 1 ist ersetzt durch einen festen Eckpunkt 8 a und
der Kompensationswiderstand 5 mit dem Schleifer 13 ist ersetzt durch zwei Widerstände
5 a und 5 b.
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Die beiden Widerstände sind ansteckbar zusammengefaßt. Sie werden
an den Stellen 12, 13 a und 16 in die Brücke eingesteckt. Der Widerstand 5 a bestimmt
dann den Meßbereich, und der Widerstand 5 b legt den Meßbereichanfang fest.