DMS Messumformerschaltungen für lange Leitungen

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DMS Messumformerschaltungen
DMS Messumformerschaltungen
für lange Leitungen
Beispiele für Auswerteschaltungen
INHALT:
1. DMS Brückenschaltungen und Signale
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Viertelbrücke
Halbbrücke, 2 aktive DMS
Halbbrücke, 1 aktiv, 1 quer DMS
Vollbrücke, 4 aktive DMS
Vollbrücke, 2 aktive, 2 quer DMS (Nicht linear)
Vollbrücke, 2 aktive, 2 quer DMS (Linear)
2. Problematik der Leitungswiderstände
2.1 Der Leitungswiderstand
2.2 Kompensation der Leitungswiderstände
2.2.1 Dreileitertechnik
2.2.2 Vierleitertechnik
2.2.3 HBM – Brücke bzw. Kreuzer – Schaltung
2.2.4 Sechsleitertechnik
3. Störsignalunterdrückung durch „Lock-In“ Brücken
Verstärker
4. Literaturangaben
5. Anhang: Operationsverstärker Datenblätter
1
DMS Messumformerschaltungen
1. DMS Brückenschaltungen und Signale
In diesem Kapitel werden die bei Dehnungsmeßstreifen üblichen Schaltungstechniken gezeigt, die
allesamt auf der Wheatstone’schen Brückenschaltung beruhen. Die aufgeführten Schaltungen sind
sowohl in der Spannungsanalyse als auch im Sensorenbau anwendbar.
Für den Sensorenbau wird im allgemeinen ausschließlich die Vollbrückenschaltung gewählt, um ein
stärkeres Meßsignal zu erhalten, bestehend aus 4 oder mehr aktiven Dehnungsmeßstreifen.
In der Spannungsanalyse bei weitgehend konstanter Umgebungstemperatur genügt auch die
Viertelbrückenschaltung.
Die Formeln ergeben sich allesamt aus der einfachen Beziehung der Impedanzen bei der
Wheatstone’schen Brückenschaltung:
Z1 * Z3 = Z2 * Z4
1.1 Viertelbrücke
USig
Ubat
ε
K
= Signalspannung
= Speisespannung
= Dehnung
= Konstante
Abbildung 1: Viertelbrücke
In dieser Schaltung gibt es nur einen aktiven DMS (rot unterlegt). Es handelt sich um die
meistgebrauchte Schaltung in der Spannungsanalyse. Der aktive DMS wird durch drei passive
Widerstände (Ohm’sche Widerstände) zur Vollbrücke ergänzt.
Formel:
Beispiel:
USig K * ε
=
4
UBat
2 *1000 * E − 06
4
m
m = 0,5 mV
V
2
DMS Messumformerschaltungen
Bei 1000µm/m Dehnung ist die Signalspannung an der ¼ Brückenschaltung also 0,5mV pro
Volt Speisespannung.
Der Spannungsverlauf ist hier allerdings nicht Linear. Für die Spannungsanalyse ist die
Nichtlinearität aber meist unwesentlich, bei sehr hohen Dehungen jedoch kann der Fehler durchaus
2% und mehr betragen.
Für den Sensorenbau hat die Viertelbrücke jedoch keine praktische Bedeutung.
1.2 Halbbrücke, 2 aktive DMS
USig
Ubat
ε
K
= Signalspannung
= Speisespannung
= Dehnung
= Konstante
Abbildung 2: Halbbrücke
In dieser Schaltungsvariante sind nun zwei aktive DMS (rot und cyan unterlegt) untergebracht. Sie
werden durch zwei passive Widerstände (Ohm’sche Widerstände) zur Vollbrücke ergänzt.
Formel:
USig K * ε
=
UBat
2
Beispiel:
2 *1000 * E − 06
2
m
m = 1 mV
V
Bei 1000µm/m Dehnung ist die Signalspannung an der ½- Brückenschaltung also 1mV pro
Volt Speisespannung.
Der Spannungsverlauf bei dieser Brücke ist Linear. Sie findet Anwendung in der
Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren.
3
DMS Messumformerschaltungen
1.3 Halbbrücke, 1 aktiv, 1 quer DMS
USig
Ubat
ε
ν
K
= Signalspannung
= Speisespannung
= Dehnung
= Querdehnzahl des
Meßobjekt-Werkstoffs
= Konstante
Abbildung 3: Halbbrücke 2
Der aktive DMS (1) wird durch einen quer angeordneten, sogenannten „Poisson“ DMS (2) und
zwei passive Widerstände (Ohm’sche Widerstände 3,4) zu einer Vollbrücke ergänzt.
Formel:
Beispiel:
USig K * ε *(1 + ν )
=
UBat
4
m
*(1 + 0,3)
mV
m
= 0,65
V
4
2 *1000 * E − 06
Bei 1000µm/m Dehnung ist die Signalspannung an dieser Brückenschaltung also 0,65mV
pro Volt Speisespannung.
Diese Brücke ist nicht völlig Linear. Sie findet Anwendung in der Spannungsanalyse und bei Low
Cost Sensoren.
Bei Zug- und Druckstäben ist diese Schaltung unvermeidbar.
4
DMS Messumformerschaltungen
1.4 Vollbrücke, 4 aktive DMS
USig
Ubat
ε
K
= Signalspannung
= Speisespannung
= Dehnung
= Konstante
Abbildung 4: Vollbrücke
Diese Schaltung besteht aus vier aktiven DMS.
Formel:
USig
= K *ε
UBat
Beispiel:
2*1000*10-6m/m = 2mV/V
Bei 1000µm/m Dehnung ist die Signalspannung an dieser Vollbrückenschaltung also 2mV
pro Volt Speisespannung.
Diese Brücke ist Linear. Es ist die bevorzugte Standardschaltung im Sensorenbau. Hier ist die
bestmögliche Kompensation von Temperatureinflüssen und sonstigen Störgrößen möglich.
1.5 Vollbrücke, 2 aktive, 2 quer DMS (Nicht linear)
USig
Ubat
ε
ν
K
= Signalspannung
= Speisespannung
= Dehnung
= Querdehnzahl des
Meßobjekt-Werkstoffs
= Konstante
Abbildung 5: Vollbrücke 2
5
DMS Messumformerschaltungen
Die Schaltung besteht aus zwei aktiven, gleichsinnig beanspruchten DMS (1,3), die durch zwei quer
angeordnete, sogenannte „Poisson“ DMS (2,4) zur Vollbrücke ergänzt werden.
Formel:
USig K * ε *(1 + ν )
=
UBat
2
m
*(1 + 0,3)
mV
m
= 1,3
2
V
Beispiel:
2 *1000 * E − 06
Bei 1000µm/m Dehnung ist die Signalspannung an dieser Brückenschaltung also 1,3mV pro
Volt Speisespannung.
Diese Schaltung ist Nicht Linear. Sie findet Anwendung in der Spannungsanalyse und bei Zugund Druckstäben. Für Präzisionssensoren muß noch eine Linearisierung mit Halbleiter-DMS
gemacht werden.
1.6 Vollbrücke, 2 aktive, 2 quer DMS (Linear)
USig
Ubat
ε
ν
K
= Signalspannung
= Speisespannung
= Dehnung
= Querdehnzahl des
Meßobjekt-Werkstoffs
= Konstante
Abbildung 6: Vollbrücke 3
Die Schaltung besteht aus zwei aktiven DMS (1,2), die durch zwei quer angeordnete, sogenannte
„Poisson“ DMS (3,4) zur Vollbrücke ergänzt werden.
Formel:
USig K * ε *(1 + ν )
=
UBat
2
6
DMS Messumformerschaltungen
m
*(1 + 0,3)
mV
m
= 1,3
2
V
Beispiel:
2 *1000 * E − 06
Bei 1000µm/m Dehnung ist die Signalspannung an dieser Brückenschaltung also 1,3mV pro
Volt Speisespannung.
Diese Brücke ist Linear. Sie findet Anwendung in der Spannungsanalyse und bei Low Cost
Sensoren.
2. Problematik der Leitungswiderstände
2.1 Der Leitungswiderstand
Der Leitungswiderstand eines elektrischen Leiters ergibt sich wie folgt:
l
R= ρ*
A
l
A
ρ
= Leiterlänge
= Leiterfläche
= spezifischer Widerstand des Leiters
Wie leicht ersichtlich ist, macht sich der Leitungswiderstand bei
langen Leitungen, wie sie oft benötigt werden, wenn bspw. der Ort der
Messung nicht direkt zugänglich ist, stark bemerkbar. Hierzu noch einmal ein Beispiel:
Das Meßsignal sei 1,3mV pro Volt Speisespannung. Die Zuleitung sei 10m lang, der Querschnitt
des Kabels 0,25mm² und das Material des Leiters Kupfer. Der Speisestrom beträgt 4mA.
R = 0,0178
Ω * mm²
10m
*
= 0,712Ω
m
0,25mm²
U = R * I = 0,712Ω * 4mA = 2,85mV
Ö Das bedeuted, daß der Spannungsverlust durch den Widerstand der Leitungen mehr als doppelt
so hoch wie das eigentliche Meßsignal ist. Dies ist natürlich unbrauchbar.
2.2 Kompensation der Leitungswiderstände
Um den störenden Einfluß der Leitungswiderstände zu beseitigen, gibt es verschiedene
Schaltungsarten, die im folgenden vorgestellt werden.
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DMS Messumformerschaltungen
Es handelt sich im einzelnen um
- die Dreileitertechnik
- die Vierleitertechnik
- die HBM – Brücke bzw. Kreuzer – Schaltung
- die Sechsleitertechnik
2.2.1 Dreileitertechnik
Schaltbild:
Abbildung 7: Dreileiterbeschaltung
Die Kompensation erfolgt über die spezielle Anordnung zweier Spannungsteiler, die in die
hochohmigen Eingänge eines Operationsverstärkers münden.
Rcu
R(ϑ)
R1,2,3
Formel:
= Leitungswiderstand
= veränderlicher Widerstand (hier von der Temperatur
abhängig
= passive Widerstände
RCu + R(ϑ )
R3
=
2 * RCu + R(ϑ ) + R1 R 2 + R 3
8
DMS Messumformerschaltungen
Wie man erkennen kann, spielen die Leitungswiderstände keine Rolle mehr, wenn man R1, R2 und
R3 gleichsetzt. Somit kann man die Länge des Kabels auch frei wählen (zu beachten bleibt natürlich
weiterhin, daß man sich jede Menge hochfrequente Störeinflüße einfangen kann, darauf wird aber
im Kapitel 3 näher eingegangen).
2.2.2 Vierleitertechnik
Schaltbild:
Abbildung 8: Vierleiterbeschaltung
Rcu
R(ϑ)
= Leitungswiderstand
= veränderlicher Widerstand (hier von der Temperatur
abhängig
Die Eingänge des Operationsverstärkers sind sehr hochohmig ausgelegt, weshalb auch kein Strom
hinein fließen kann. Die Leitungswiderstände der beiden Operationsverstärkerzuleitungen haben
somit keinen Einfluß, da durch sie kein Strom fließt.
Durch eine Stromquelle wird ein konstanter Strom durch die Schaltung geschickt. Da die
Operationsverstärkerzuleitungen wegfallen, liegen der veränderliche Widerstand R(ϑ) und die
beiden verbleibenden Leitungswiderstände in Reihe und es ergibt sich für daß Meßsignal der
erwünschte Zusammenhang:
U (ϑ ) = R(ϑ ) * I 0
Der Einfluß der Leitungswiderstände ist also kompensiert (auch hier müssen noch andere Störungen
berücksichtigt werden, siehe Kapitel 3).
9
DMS Messumformerschaltungen
2.2.3 HBM – Brücke bzw. Kreuzer – Schaltung
Im folgenden wird die sogenannte HBM – Brückenschaltung bzw. Kreuzer – Schaltung näher
erläutert. Sie dient im besonderen zur Eliminierung von Fehlern durch Kabelverbindungen zum
DMS, indem sie sie von vornherein nicht entstehen läßt. Die Schaltung und das Prinzip ist nach
ihrem Erfinder, einem Herrn Kreuzer, benannt und wird von HBM (Hottinger Baldwin Meßtechnik)
in deren Geräten verwendet.
Abbildung 9:
Abbildung 9: HBM-Brücke bzw. Kreuzer-Schaltung
Die in Abbildung 9 dargestellte Schaltung arbeitet ebenfalls nach dem Wheatstone’schen Prinzip.
Funktionsweise:
Die Brückenschaltung UB wird nicht mehr direkt dem Dehnungsmeßstreifen zugeführt, sondern
dient den Verstärkern V2 und V3 nur noch als Referenzspannung (Vergleichsspannung). Die beiden
Verstärker V2 und V3 regeln ihre Ausgangsspannung so lange nach, bis die über die
Fühlerleitungen an den Meßstellen abgegriffenen und über die Spannungsfolger SF2‘ und SF3‘
zugeführten Spannungen gleich den Spannungen +UB/2 bzw. –UB/2 sind.
Die Spannungsabfälle ∆U2 und ∆U3 in den Speisespannungsschaltern S2 werden somit
ausgeregelt. Die Ausgangsspannungen der Verstärker V2 und V3 sind um eben diese
Spannungsabfälle ∆U2 bzw. ∆U3 höher als die Spannungen +UB/2 bzw. -UB/2. Somit liegt an den
Meßstellen die genaue Brückenspeisespannung an.
10
DMS Messumformerschaltungen
Wegen der extrem hohen Eingangsimpedanz der Verstärker (V2, V3) und Spannungsfolger (SF2‘,
SF3‘) sind die Fühlerleitungen praktisch stromlos, so daß ihre Leitungswiderstände und die
Widerstände der Schalter S2‘ keine Spannungsabfälle und somit auch keine Meßfehler verursachen
können.
Da die Innenhalbbrücke (Widerstände RH), die die äußere Meßhalbbrücke zur Vollbrücke ergänzt,
über die Spannungsfolger SF2‘ und SF3‘ an die von den Meßstellen rückgeführten Spannungen
angeschlossen sind, liegen die externe und die interne Halbbrücke an den genau gleichen
Spannungen, selbst wenn die Spannungsregelung der Verstärker V2 und V3 noch kleine Restfehler
übrig ließe. Die Spannungsfolger können mit den modernen Operationsverstärkerschaltungen so
präzise ausgeführt werden, daß ihre Fehlerspannungen vernachlässigbar klein sind.
Nullpunkts- und Empfindlichkeitsfehler werden so fast 100%-ig eliminiert. Die Schaltung ist für
Gleichspannungs- als auch für Trägerfrequenzbetrieb (d.h. wenn als Brückenspeisespannung eine
sinusförmige Wechselspannung verwendet wird) geeignet.
Bei Trägerfrequenzbetrieb wird sogar eine noch höhere Präzision erzielt, da dann die wenn auch
kleinen Offsetspannungen und Temperaturdriften der Verstärker und Spannungsfolger ohne Einfluß
sind.
Ein weiterer Vorteil ist, daß für jeden zusätzlich anzuschließenden Dehnungsmeßstreifen nur zwei
Leitungen und zwei Schalter benötigt werden.
Die Schaltung fordert jedoch andererseits, daß ein Ergänzungswiderstand RE nahe den
Dehnungsmeßstreifen angeordnet wird, da die Spannungsabfälle, die in den Verbindungsleitungen
zwischen den Dehnungsmeßstreifen und dem Ergänzungswiderstand RE auftreten, nicht ausgeregelt
werden. Weiterhin bewirkt die direkte galvanische Verbindung der Dehnungsmeßstreifen, daß bei
Masseschluß eines Streifens die Meßwerte der ganzen Gruppe falsch werden können.
Abbildung 10:
Abbildung 10: HBM Brücke mit Viertelbrückenbeschaltung
11
DMS Messumformerschaltungen
Die in Abbildung 10 gezeigte Schaltung ist gegenüber der vorherigen Schaltung dadurch erweitert,
daß Einzel – Dehnungsmeßstreifen über große Entfernungen von bis zu 1000m anschließbar sind,
wobei der Ergänzungswiderstand sogar im Meßgerät angeordnet werden kann.
Die Schaltung besitzt außerdem zusätzlich zwei Spannungsfolger SF1 und SF4, sowie den
Differenzverstärker DV.
Der Spannungsabfall ∆U1, der durch den Speisestrom in die Speiseleitung 4 und dem Schalter S4,
d.h. der Verbindung zwischen dem Dehnungsmeßstreifen und dem Ergänzungswiderstand RE
erzeugt wird, wird von den Spannungsfolgern SF1 und SF4 abgegriffen, mit Hilfe der Widerstände
RT exakt halbiert und somit zu gleichen Teilen den beiden Brückenzweigen der äußeren Halbbrücke
zugewiesen. Dadurch wird der Einfluß auf den Nullpunkt durch den Spannungsabfall ∆U1
ausgeschlossen. Da der Spannungsabfall ∆U1 über den Differenzverstärker DV zum
Brückenspannungsgenerator geführt und dort die Brückenspeisespannung UB um den Betrag ∆U1
erhöht wird, ist die Summe der Spannungen, die direkt am Dehnungsmeßstreifen und am
Ergänzungswiderstand anliegen immer konstant gleich Uref.
Die Spannungsabfälle ∆U1 und ∆U2 haben somit auch keinen Einfluß auf die Meßempfindlichkeit.
Da die Schaltung den Dehnungsmeßstreifen vollständig an- bzw. abschaltet, werden bei
Masseschluß eines Dehnungsmeßstreifens die anderen nicht beeinflußt.
Abbildung 11:
Abbildung 11: HBM-Brücke
12
DMS Messumformerschaltungen
In Abbildung 11 ist einer detaillierten Ausgestaltung der Schaltung aus Abbildung 10 die von HBM
angewendete Anschalttechnik für Voll-, Halb- und Viertelbrücken dargestellt.
Dabei ist es möglich, Dehnungsmeßstreifen einzeln mit räumlich entfernt angeordneten
Kompensations - DMS zu ergänzen, wie z.B. Meßstelle M2 in Abbildung 11, oder Einzel –
Dehnungsmeßstreifen mittels des geräteinternen Ergänzungswiderstandes RE ext zur Halbbrücke
ergänzen.
Wird mit Trägerfrequenz gearbeitet, d.h. wenn als Brückenspeisespannung eine sinusförmige
Wechselspannung verwendet wird, so kann die geräteinterne Halbbrücke RH und im Bedarfsfalle
auch der Widerstandsteiler RT als induktiver Teiler ausgeführt werden, was eine erhebliche
Verringerung der Meßfehler bei Halb- und Viertelbrückenschaltung zur Folge hat, weil induktive
Teiler mit erheblich größeren Temperatur- und insbesondere Langzeitstabilitäten ausgeführt werden
können als Widerstandsteiler.
2.2.4 Sechsleitertechnik
Als nächstes wird die in ihrer Wirkung der Kreuzer – Schaltung ähnliche Sechsleiterschaltung
vorgestellt. Sie ist auf den Anschluß von DMS – Vollbrückenschaltungen beschränkt.
Abbildung 12:
Abbildung 12: Sechsleiterschaltung
Ein regelbarer Spannungsgenerator G liefert die Spannung UG zur Speisung des mit einer DMS –
Vollbrückenschaltung ausgestatteten Meßgrößenaufnehmers.
Infolge des durch den Speisestrom IB an den Leitungswiderständen RK2 und RK3 der Speiseleitung
entstehenden Spannungsabfalls erhält der Aufnehmer niedrige Speisespannung UB. Die beiden
Fühlerleitungen 6 und 7 melden die Spannung UB zurück an einen Komparator, der sie mit der
Referenzspannung Uref vergleicht.
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DMS Messumformerschaltungen
Die Referenzspannung Uref ist gleich der Soll-Brückenspeisespannung. Die Leitungswiderstände
RK6 und RK7 der Fühlerleitungen stören nicht, weil kein Strom über sie fließt. Weicht UB von Uref
ab, dann erhöht der Generator, gesteuert vom Komparator, seine Spannung UG bis die
Fühlerleitungen Übereinstimmung von UB mit Uref melden. Dann liegt am Aufnehmer die SollSpeisespannung an.
Die Nachregelung der Generatorspannung kann im Prinzip sowohl manuell als auch automatisch
erfolgen. Die automatische Regelung hat den Vorteil, daß Veränderungen der SpeiseleitungsWiderstände während einer Messung, z.B. bei Temperaturänderungen durch den
Temperaturkoeffizienten des Kupfers, immer sofort ausgeregelt werden. Das Meßsignal UA
entspricht somit zu jedem Zeitpunkt dem Meßwert. Die Widerstände der Signalleitungen RK1 und
RK4 sind auch hier wieder ohne Einfluß, weil der Meßverstärker ebenfalls keinen Strom aufnimmt.
3. Störsignalunterdrückung durch „Lock-In“ Brücken
Verstärker
In diesem letzten Kapitel geht es um eine andere Art von Störeinflüssen, die das Meßsignal
verfälschen können: Hochfrequente Einstrahlungen.
Lange Meßleitungen zeichnen sich nicht nur dadurch aus, daß sie durch ihren Leitungswiderstand
das Meßsignal verfälschen, sie fangen zusätzlich auch jede Menge Störsignale wie hochfrequente
Einstrahlungen auf und wirken wie Antennen.
Das heißt, das Meßsignal, das später dann an der Auswerteelektronik ankommt, ist vielfach
überlagert mit Störsignalen und muß gefiltert werden.
Eine Möglichkeit, um eine solche Störsignalunterdrückung (High Noise Rejection) zu realisieren,
ist die folgende „Lock-In“ Brückenschaltung der Firma „Linear Technology“ (Jim Williams).
Um die Schaltung besser erklären zu können, wurde sie in 4 Einzelkomponenten zerlegt, die separat
erklärt werden.
Vorab jedoch ersteinmal die Gesamtschaltung:
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DMS Messumformerschaltungen
Abbildung 13: „Lock-In“ Brücken Verstärker
Die Schaltung arbeitet nach dem Prinzip der sogenannten „Synchronous Demodulation“, die eine
hohe Störsignalunterdrückung gewährleistet.
Ein AC (Wechselspannungs-) Trägersignal von 500 Hz speist die Brücke und synchronisiert
gleichzeitig den unteren OP, der als Schalter arbeitet (gain stage demodulator).
In der oben gezeigten Schaltung dient eine Thermistor-Brücke als Meßbrücke, die extrem kleine
Temperaturveränderungen erfassen kann in einer biochemischen MikrowärmemessungsReaktionskammer (biochemical microcalorimetry reaction chamber). Prinzipiell könnte hier auch
eine Dehnungsmeßstreifen-Anordnung vorliegen oder dergleichen.
Teil 1: Signalerzeugung und Verstärkung
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DMS Messumformerschaltungen
Abbildung 14
Das 500Hz Trägersignal liegt am Eingang des Transformators T1 an (Signalverlauf siehe
Abbildung 14a, Signal A). Die Ausgänge des Transformators T1 speisen die Meßbrücke.
Die Meßbrücke liegt auf einem definiertem Bezugspotential. Von diesem Bezugspotential aus nach
oben zum nächsten Knotenpunkt gibt es ein Spannung, nennen wir sie U1, und von diesem
Potential aus nach unten zum nächsten Knotenpunkt gibt es eine Spannung, U2. Im abgeglichenen
Zustand sind diese Spannungen gleich groß und entgegengesetzt, so daß sich für die
Diagonalspannung UD der Wert Null ergibt.
Ändert sich jetzt der linke obere Widerstandswert und damit auch der rechte untere
Widerstandswert in eine Richtung, führt dies aufgrund der Brückenbedingung dazu, daß sich die
beiden anderen Widerstandswerte in die entgegengesetzte Richtung ändern und eine
Diagonalspannung DU messen läßt, das Meßsignal.
Dieses Meßsignal liegt in der Größenordnung von einigen µV, so daß es notwendig ist, das Signal
zu verstärken.
Das Meßsignal wird nun direkt auf den positiven (direkten) Eingang des Operationsverstärkers A1
gegeben, der als Elektrometerverstärker ausgeführt ist. Anhand der beiden Widerstände des
Operationsverstärkers läßt sich eine Verstärkung von V=1000 ableiten.
Zwischen der Meßbrücke und dem Verstärker liegt nun die eigentliche Zuleitung, die einige Meter
betragen kann. Da der Operationsverstärker hochohmige Eingänge besitzt und das Signal somit
hochohmig abgegriffen wird, kann der Leitungwiderstand vernachlässigt werden.
Wesentlich größere Probleme liegen in der Tatsache, daß die Leitung wie eine Antenne
Rauschsignale (Störungen) aufnimmt und das eigentliche Meßsignal von bspw. 5 µV mit einem
Rauschsignal von 50 µV überlagert ist. Dies kann jedoch durch diese Schaltung eliminiert werden,
worauf jedoch etwas später eingegangen wird.
Wichtig in diesem ersten Teil der Schaltung ist noch die Anordnung der beiden Kondensatoren, die
prinzipiell als Hochpaß arbeiten. Sie sorgen dafür, daß tiefe Frequenzen und somit DC-Anteile
unterdrückt werden. Der Sinn hierbei liegt darin, daß man in Form der Offsetspannung des
Operationsverstärkers, die im Bereich von einigen mV liegen kann, durch die hohe Verstärkung von
16
DMS Messumformerschaltungen
1000 einen, im Vergleich zum Meßsignal, riesigen DC-Anteil verstärkt (Offsetspannung ist eine
DC-Spannung), der überhaupt nichts mit dem Meßsignal zu tun hat.
Abbildung 14a: Signalverläufe
Teil 2: Nullpunkt-Durchgangsdetektor (zero crossing detector)
Abbildung 15: Nullpunkt-Durchgangsdetektor
Der zweite Teil der Schaltung ist der sogenannte Nullpunkts-Detektor. Wie aus der Schaltung zu
erkennen ist, wird dieser Teil der Schaltung ebenfalls mit dem Erregersignal von 500 Hz gespeist.
Der erste Teil aus Kondensator und zwei Widerständen dient zum Phasenabgleich, der manuell von
außen vorgenommen werden kann.
Der zweite Teil der Schaltung ist der eigentlich wichtige für die ganze Schaltung. Es handelt sich
hier um einen Operationsverstärker ohne Rückkopplung, was bedeutet, daß der OP durch das
Anlegen einer Wechselspannung (hier 500 Hz) dauernd zwischen seiner positiven und negativen
Versorgungsspannung hin und her kippt und somit als Schalter funktioniert. Bei jedem
Nulldurchgang (daher Nullpunkts-Detektor) kippt der OP also an seinem Ausgang und steuert einen
Schalter, der im nächsten Abschnitt beschrieben ist.
17
DMS Messumformerschaltungen
Teil 3: Der „Synchronous Demodulator“ mit invertierendem Verstärker:
Abbildung 16: „Synchronous Demodulator“
Der Schalter LTC1043 wird also vom Operationsverstärker LT1041 direkt geschaltet. Liegt eine
negative Halbwelle des Signals an, ist der Weg von Schalterstellung 14 zu 12 niederohmig also
leitend geschaltet und das Signal wird auf den negativen (indirekten) Eingang des invertierenden
Operationsverstärkers A2 geleitet. Der invertierende Verstärker verstärkt das Signal nun mit einem
Faktor –1, was dazu führt, daß die vormals negative Halbwelle des Sinussignal umgeklappt wird zu
einer positiven Halbwelle.
Liegt eine positive Halbwelle an, so ist der Weg von Schalterstellung 13 zu 12 niederohmig
geschaltet und das Signal wird zusammen mit dem Ausgangssignal von A1 (also dem Meßsignal)
auf den positiven (direkten) Eingang gelegt. Der OP A2 ist nun im wesentlichen als
Impedanzwandler geschaltet und die positive Halbwelle kann unverändert passieren.
Dies hat nun zur Folge, daß hinter dem Ausgang von A2 eine quasi-Gleichspannung vorliegt mit
der Frequenz 1000 Hz.
Mathematisch gesehen handelt es sich hierbei um die Multiplikation des Meßsignals mit dem
Erregersignal von 500 Hz.
Der nachfolgende Tiefpaß bildet nun mathematisch gesehen den integralen Mittelwert dieses
Produktes, was dann den gewünschten Effekt hat, daß das vormals mit Rauschen überlagerte
Meßsignal klar und deutlich um einen Faktor 1000 verstärkt am Ausgang als DC-Spannung
vorliegt.
Die RC-Zeit des Tiefpasses liegt bei 1s (1MOhm * 1µF), wodurch die Grenzfrequenz bei ca. 1/6 Hz
liegt. Daraus resultiert die integrale Mittelwertbildung und das gefilterte DC-Meßsignal.
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DMS Messumformerschaltungen
Teil 4: Impedanzwandler:
Abbildung 17: Impedanzwandler
Der Operationsverstärker A3 dient nun lediglich noch zur Impedanzwandlung. Am Ausgang liegt
nun das 1000-fach verstärkte DC-Meßsignal vor, daß völlig frei von Störsignalen und –einflüssen
ist.
Dieses Schaltungsprinzip ist als One-Chip Technologie direkt erhältlich, braucht also nicht
durch diskrete Bauelemente aufgebaut zu werden.
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DMS Messumformerschaltungen
4. Literaturangaben
Î Karl Hoffmann
Eine Einführung in die Technik des Messens mit
Dehnungsmeßstreifen, HBM Meßtechnik Darmstadt
Î http://www.blh.de/german/applikation/bruecken.htm
Internetseite der Firma „BLH“ zum Thema Brückenschaltungen
Î http://www.lineartech.com/pub/document.html?pub_type=app&document=46
Internetseite der Firma „Linear Technology“ zum Thema „Lock-In“
Brückenschaltungen
Î Skript „Elektronik“; Prof. Dr. Hornung
Î Skript „Sensortechnik 1“; Prof. Dr. Hornung
20
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