Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung die aufweist: einen DMS (Dehnungsmeßstreifen)-Teil, der aus wenigstens einem Dehnungsmeßstreifen aufgebaut, in einen Meßaufnehmer integriert sowie für eine Wechselspannungsversorgung ausge¬ legt ist; und eine Zusatzschaltung, die modulierte Aus¬ gangssignale des DMS-Teiles verstärkt. Die Erfindung be¬ trifft ferner eine Verwendung der so erhaltenen Meßanord- nung; außerdem einen Modulationsverstärker, der insbeson- ders die genannte Zusatzschaltung ist.

Derartige Meßanordnungen sind von großem praktischen Inter¬ esse, da sie kommerziell nutzbar sind, und z.B in vielen Wägeeinrichtungen in der Industrie eingesetzt werden.

Es sind bereits zahlreiche Meßanordnungen bekannt, bei denen DMS in einen Meßaufnehmer integriert sind. Eine ex¬ terne Elektronik speist dabei den Meßaufnehmer über ein An- schlußkabel mit einer Versorgungsspannung, empfängt dessen Meßsignal über dasselbe Kabel, verstärkt es und wertet es dann aus. Derartige Meßaufnehmer bzw. Meßanordnungen arbei¬ ten in der Regel nach dem Prinzip von Widerstandsmessungen. Sie nutzen den Effekt aus, daß der Widerstand eines DMS proportional zu dessen Dehnung, d.h. dessen relative Län¬ genänderung, und diese wiederum proportional zu der auf den Meßaufnehmer wirkenden Kraft ist. Zur genauen Widerstands¬ messung werden die DMS dabei häufig in eine Brücke ver¬ schaltet.

Charakteristisch für derartige Meßaufnehmer ist ein sehr geringes Ausgangs- bzw. Meßsignal. Im Falle der häufig be-

nutzten Meßaufnehmer mit Metallfolien-DMS beträgt das Aus¬ gangssignal z.B. nur 2 mV pro Volt Brücken-Eingangsspan¬ nung. Solch kleine Signale müssen vor ihrer Messung und Weiterverarbeitung zuerst verstärkt werden. Aus Kostengrün- den und der Einfachheit halber greift man im allgemeinen auf eine Gleichspannungsversorgung und Gleichspannungsver¬ stärkung zurück, obwohl diese aufgrund ihrer üblichen tech¬ nischen Beschränkungen häufig Nachteile haben, nämlich Gleichspannungsfehler, wie Thermospannungsfehler oder Off- setspannungen im Verstärker, sowie übermäßiges Niederfre¬ quenzrauschen im gesamten Schaltkreis. Ther ospannungen können an den Anschlußpunkten der notwendigen Verkabelung zwischen der Widerstandsbrücke und nachgeschalteten Ver¬ stärkern auftreten, nämlich dann, wenn dort unterschiedli- ehe Materialien und Temperaturen vorliegen.

Diese Fehler müssen auf einem noch akzeptablen Niveau ge- ^• halten bzw. das Meßsignal von diesen Fehlspannungen klar abgehoben werden. Um etwa die oben genannten Ausgangssigna- le von 2 mV pro Volt Eingangsspannung bereitstellen zu kön¬ nen, müssen verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Einer¬ seits werden die Belastungsgrenzen der DMS-Meßaufnehmer häufig so ausgelegt, daß sie bereits bei Nennlast nahe den Ermüdungsgrenzen der verwendeten Materialien liegen. Als Folge bleiben nur sehr begrenzte Überlastreserven übrig, weshalb - abhängig von der jeweiligen Anwendung - kosten¬ intensive Überlastschutz-Einrichtungen bereitgestellt wer¬ den müssen. Andererseits werden zur Vergrösserung des Aus¬ gangssignals häufig sehr hohe Eingangsspannungen an den Meßaufnehmer gelegt, um ihn innerhalb seiner mechanischen

Belastungsgrenzen halten zu können. Erhöhte Eingangsspan¬ nungen heizen jedoch die Meßaufnehmer-Widerständen und damit die gesamte Meßanordnung auf. Außerdem sind hohe Ver¬ sorgungsspannungen nicht mit den Niedrigspannungsanforde- rungen heutiger elektronischer Schaltkreise kompatibel. Schließlich ist der Einsatz batteriebetriebener Meßanord-

nungen aufgrund des hohen Leistungsverbrauches fast gänz¬ lich ausgeschlossen.

Die oben genannten Meßfehler, wie thermoelektrische Effek- te, Rauschen und Temperatureffekte in nachgeschalteten externen Verstärkern werden heutzutage häufig durch zusätz¬ liche Wechselspannungsmodulations und -Verstärkungstech¬ niken vermindert. Diese Modulationsverstärkungstechniken sind aus der Literatur (z.B. "1993 Linear Applications Handbook Vol. II, A Guide to Linear Circuit Design", Seite 1 und die die Fig. 27 und 28 enthaltende Seite) bekannt, werden aber in der Praxis nur dann angewendet, wenn sich deren hohe Komplexität und Kosten vertreten lassen. - Er¬ gänzend wird noch auf die US-PS'en 4,868,411 (ISHIHARA) , 4,461,182 (JONES, JR. ET AL) , 4,213,348 (REINERTSON ET AL) , 4,155,263 (FRANTZ) , 4,064,456(GORVE) , 3,965,296 (ROBERTS, III), 3,665,756 (RUSSELL), 3,657,660 (PFERSCH) , 3,617,878 (SENOUR) , 3,354,703 (RÜSSEL, JR. ET AL) und3,224,256 (HA- STINGS) verwiesen.

Weiterhin ist es aus der EP 0 319 176 Bl (TOLEDO SCALES) bekannt, Fehler - Nichtlinearitäten - der DMS-Meßanordnung, Temperatureffekte der Meßbrücke, sich auf den Nullpunkt und den Verstärkungsfaktor eines nachgeschalteten Verstärkers auswirkende Temperatureffekte sowie ein Driften dieses Verstärkungsfaktors aufwendig digital zu korrigieren. Hier¬ zu ist in den Meßaufnehmer eine Einheit integriert, die aus folgenden Elementen besteht: eine DMS-Brücke, ein der DMS- Brücke nachgeschalteter Verstärker, ein Analog-zu-Digital- wandler, eine Mikroprozessoreinrichtung samt Speicher und ein elektronischer Schalter zum Ein- und Ausschalten der Brücken-Eingangsspannung. Dabei werden die Eingangsspannung über den elektronischen Schalter an die DMS-Brücke gelegt und über einen Verstärker weiter an einen Analog-zu-Digi- talwandler geleitet und das digitalisierte Ausgangssignal des Wandlers einem Mikroprozessor zugeführt, der es mittels abgespeicherter Algorithmen unter Verwendung empirisch

gefundener KorrekturformeIn sowie gelisteter Korrekturwerte korrigiert. Das so erhaltene digitale Signal wird von der in den Meßaufnehmer integrierten Einheit an eine externe Steuer- und Verarbeitungseinrichtung weitergeleitet. Diese Meßanordnung ist aufgrund ihres sehr komplexen, integrier¬ ten Schaltkreises, inklusive mitintegrierter Mikroprozes¬ soreinrichtung, nur für sehr kostenaufwendige Wägeeinrich¬ tungen oder ähnliches einsetzbar. - Ergänzend wird noch auf die Literaturstelle: Technisches Messen tm, 53 Jahrgang, Heft6/1986, Seiten 236-241 (KOWALSKI) verwiesen.

Aus der Literatur (z.B. "Elektrische Meßtechnik", E. Schrü- fer, Hanser-Verlag, 1992, insbesondere Seite 240 bis 243) sind weiterhin Trägerfrequenz-Brücken und -Meßverstärker bekannt. Hierbei erzeugt ein Trägerfrequenzgenerator ein Wechselspannungssignal, das an eine DMS- bzw. Widerstands¬ brücke gelegt wird. Das Brücken-Ausgangssignal wird über 'einen Verstärker - mit vor- und nachgeschaltetem Transfor¬ mator (dient zur Veranschaulichung der Signalaufarbeitung) - an einen Demodulator weitergeleitet. Der Demodulator - in Form eines Umschalters - wird dabei vom Trägerfrequenzge¬ nerator gesteuert. Der Transformator erzeugt dabei über einen als Nulleiter dienenden Mittenabgriff und zwei wei¬ tere Abgriffe zum einen das verstärkte originale und zum zweiten das hierzu vorzeichengespiegelte Wechselspannungs- signal. Diese beiden Signale werden abwechselnd vom Um¬ schalter des Demodulators zusammen mit dem Nullpunktsignal des Mittenabgriffes dem Schaltungsausgang zugeführt.

Als Wechselspannungsverstärker wird häufig ein symmetri¬ scher Differenzverstärker mit nachgeschaltetem Subtrahierer verwendet (vgl. die beigefügte Fig. 5, welche dem Bild 3.20 in der obengenannten Literaturstelle Schrüfer entspricht) . Da Meßgeräte für elektrische Spannungen einen "heißen" Eingang und eine Meßnull (häufig das Gehäuse des Meßgerä¬ tes) aufweisen, haben Verstärker für Widerstandsbrücken, deren eigentliches Signal die Differenz zweier Spannungen

U, v d U ₂ (siehe Fig. 5) ist, zwei Eingänge. Dabei werden die Spannungen an beiden Eingängen auf dieselbe "Meßnull" bezogen. Ein dem Differenzverstärker nachgeschalteter Sub¬ trahierer V ₃ liefert als Ausgangssignal U„ die Differenz dieser beiden Spannungen. Damit liegt am Ausgang dieser Differenzverstärkereinheit eine auf die "Meßnull" bezogene Ausgangs-Spannung vor, als verstärktes Abbild der Diffe¬ renz-Spannung am Eingang.

An diesem Ausgangssignal U _a kann über einen Inverter mit dem Verstärkungsfaktor -1 ein zweites negiertes Ausgangssignal -U _a abgeleitet werden. Diese beiden Signale können dann einem Demodulator zugeführt werden, der - wie oben be¬ schrieben - mit auf eine "Meßnull" bezogenen Spannungen arbeitet. Dabei erweist sich die mit U _« ^ in Figur 5 bezeich¬ nete Fehlspannung des Subtrahierers als ein ungünstiger Faktor, der noch unterdrückt werden muß. Außerdem muß der -Inverter mit hoher Präzision arbeiten, was nur durch eine aufwendige Schaltung erreicht werden kann.

Die oben angesprochene Schaltungstechnik wird heutzutage weitgehend angewendet, da sie eine problemlose Weiterver¬ arbeitung des Meßsignals gewährleistet. Die erhaltene Aus¬ gangsspannung ist nämlich wieder einpolig gegen eine "Meß- null" verfügbar und somit von üblichen Meßgeräten oder son¬ stigen Elektronikschaltkreisen weiterverarbeitbar.

Diese Verstärkerschaltung hat jedoch den Nachteil, daß sie den Charakter des Differenzsignals verändern, und deshalb den z.B. in der industriellen Wägetechnik üblichen, auf die Differenzsignale der DMS-Brücken eingerichteten externen Meßgeräte nicht ohne Veränderung vorschaltbar sind.

Ergänzend wird noch auf die US-PS'en 2,625,036 (COWLES) und 5,088,330 (TALMADGE) verwiesen.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, zielt die Erfindung darauf ab, eine vergleichsweise einfache, kostengünstige Meßanordnung, eine mit deren Vorteilen einhergehende Ver¬ wendung sowie einen insbesondere für diese Meßanordnung benutzbaren einfachen Modulationsverstärker zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 23 und 24 erreicht.

Anspruch 1 stellt eine Meßanordnung zur Verfügung mit aus wenigstens einem DMS aufgebauten, für eine Wechselspan- nungs-Versorgung ausgelegten DMS-Teil und einer modulierte Ausgangssignale des DMS-Teiles verstärkenden Zusatzschal- tung, wobei sowohl der DMS-Teil als auch die Zusatzschal¬ tung in einen Meßaufnehmer integriert sind.

Dabei können auf einfache Art und Weise Fehler des DMS- Teils und der Zusatzschaltung direkt an Ort und Stelle in dem Meßaufnehmer bei Montage des Meßaufnehmers korrigiert werden. Diese werden dann für alle Zeit unterdrückt. Durch die Integration des DMS-Teiles und der Zusatzschaltung in den Meßaufnehmer werden Kabelverbindungen kurz gehalten und somit die negativen Einflüsse etwaiger langer Zuleitungska- bei vermieden.

Bevorzugt werden hierbei die DMS in eine Brücke verschal¬ tet. Die Brücke kann aber auch aus DMS und anderen Wider¬ ständen bestehen (Anspruch 2) . Diese Maßnahme liefert eine meßempfindlichere Verschaltung der DMS.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Zusatz- schaltung im wesentlichen als ein symmetrischer Differenz¬ verstärker aufgebaut (Anspruch 3) . Hierbei kann ein Modula- tor außerhalb der Meßanordnung, etwa in einem externen Spannungsversorgungsgerät, angeordnet sein. Das modulierte Versorgungssignal wird über ein Kabel der Meßanordnung

zugeführt und dort der DMS-Brücke als Eingangsspannung bereitgestellt. Das Ausgangssignal der DMS-Brücke wird vom symmetrischen Differenzverstärker verstärkt und an den Ausgang der Meßanordnung gelegt. Ein Vorteil liegt hierbei unter anderem in der Verringerung von Kabeleinflüssen, weil der Verstärker einen viel kleineren Ausgangswiderstand hat als eine passive, hochohmige Meßbrücke. Außerdem verein¬ facht ein symmetrischer Differenzverstärker etwaige Fehler¬ korrekturen, da alle Fehler über massenproduzierte elek- tronische Komponenten kompensiert werden können. Damit liegt eine sehr kostengünstige Gesamtkorrektur des Meßsi¬ gnales vor. Hierdurch eignet sich die Meßanordnung auch für massenproduzierte Artikel. Diese erste Ausführungsform stellt somit eine besonders kostengünstige Version einer Meßanordnung dar.

Bevorzugt ist die erste Ausführungsform zur Versorgung durch eine externe Wechselspannung ausgelegt (Anspruch 15) . Vorzugsweise weist dabei die Zusatzschaltung zusätzlich noch einen mit der externen Wechselspannungsversorgung verbindbaren Gleichrichter zur Gleichspannungsversorgung des symmetrischen Differenzverstärkers auf (Anspruch 16) . Hierdurch wird ein separater Anschluß für die Versorgungs¬ spannung des Verstärkers eingespart.

In einer bevorzugten Verschaltung der einzelnen Module der ersten Ausführungsform ist: der Spannungsversorgungs-Ein- gang des Meßaufnehmers als Wechselspannungs-Eingang ausge¬ staltet und jeweils mit dem Eingang der DMS-Brücke und dem Eingang des Gleichrichters verbunden; der Ausgang der DMS- Brücke mit dem Signaleingang des symmetrischen Differenz¬ verstärkers und der Ausgang des Gleichrichters mit dem Spannungsversorgungs-Eingang des symmetrischen Differenz¬ verstärkers verbunden; und der Ausgang des Differenzver- stärkers mit dem Signal-Ausgang des Meßaufnehmers verbun¬ den; wobei die Meßaufnehmer-Ein- und Ausgänge jeweils zwei Anschlußpunkte aufweisen (Anspruch 17) . Diese besonders

einfache Verschaltung der einzelnen Module untereinander trägt dazu bei, Fehler gering zu halten, den Differenzcha¬ rakter des Meßbrücken-Signals zu wahren und den Meßaufneh¬ mer leicht an externe Versorgungs- und Auswerteschaltungen anschließen zu können.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Zu¬ satzschaltung ein Modulationsverstärker, der im wesentli¬ chen aus einem Modulator, einem Wechselspannungsverstärker und einem Demodulator besteht (Anspruch 4) . Diese Zusatz¬ schaltung bietet den Vorteil, daß das modulierte Signal direkt im Meßaufnehmer erzeugt und dort auch wieder in eine Gleichspannung demoduliert wird. Damit wird vermieden, daß Wechselspannungssignale, die über ein Kabel vom Meßaufneh- mer zu einer externen Versorgungsschaltung - oder umgekehrt - geführt werden, durch kapazitive und induktive Kabelei¬ genschaften beeinflußt werden. Außerdem können Gleichspan¬ nungsfehler der DMS-Verschaltung durch den Einsatz des Modulationsverstärker effektiv unterdrückt werden.

Der Modulator ist dabei bevorzugt dem DMS-Teil als Span¬ nungsversorgung vorgeschaltet und insbesondere als ein Rechteckgenerator ausgebildet (Anspruch 9) . Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Verwendung eines Recht- eckgenerators als Spannungsversorgung. Dieser kann eine in der Amplitude viel exakter einstellbare Eingangs- bzw. Versorgungsspannung liefern, als es z.B. übliche Generato- ren für sinusförmige VersorgungsSpannungen erlauben. Si¬ nusförmige Signale würden zwar beim Leiten durch lange Kabel nicht in ihrer Form verzerrt, sondern lediglich pha¬ senverschoben, haben aber den Nachteil, daß aufwendige und teuere Geräte zum Erzeugen einer stabilen, exakt einstell¬ baren Amplitude bereitgestellt werden müssen.

Bevorzugt ist der Wechselspannungsverstärker der zweiten Ausführungsform im wesentlichen ebenfalls ein symmetrischer Differenzverstärker (Anspruch 10) . Einerseits wahrt die

Differenzverstärkung den Charakter der Differenzsignale am Ausgang einer DMS-Meßbrücke; andererseits unterdrückt die symmetrische Anordnung der elektronischen Komponenten weit¬ gehend etwaige nicht ideale Eigenschaften dieser Komponen- ten. Insgesamt ist das verstärkte Ausgangssignal des Wech¬ selspannungsverstärkers somit im wesentlichen frei von Gleichspannungs-Überlagerungen, in Form von Offset-Span- nungen o.a.

Der Demodulator ist bevorzugt im wesentlichen ein aus vier elektronischen Ein/Aus-Schaltern oder zwei elektronischen Wechselschaltern zusammengesetzter Brückengleichrichter (Anspruch 11) . Dieser Demodulator stellt gerade in Verbin¬ dung mit dem Rechteckgenerator als Modulator eine besonders elegante und einfache Demodulation des modulierten Meßsi¬ gnals bereit. Hierdurch wird der Differenzcharakter einer herkömmlichen DMS-Brücke, die mit einer Gleichspannung ^• gespeist und auch ein Gleichspannungs-Ausgangssignal lie¬ fert, besonders effektiv beibehalten.

Bevorzugt ist der Demodulator mit dem Modulator so ver¬ schaltet, daß das Rechtecksignal des Modulators das Schal¬ ten der vier elektronischen Ein/Aus-Schalter oder der zwei elektronischen Wechselschalter des De odulators taktet (Anspruch 12) . Damit wird besonders einfach eine störungs¬ freie Demodulation gewährleistet und aus dem Wechselspan- nungsmeßsignal ein Gleichspannungsmeßsignal erzeugt, wel¬ ches das Ausgangssignal einer mit einer Gleichspannung gespeisten passiven Meßbrücke exakt simuliert - allerdings verstärkt. Bis auf die Verstärkung treten somit nach außen keine Unterschiede zu einem passiven Meßaufnehmer auf.

Eine bevorzugte Verschaltung der einzelnen Module des Zu¬ satzschaltkreises und des DMS-Teiles im Meßaufnehmer ver- bindet: den Versorgungsspannungs-Eingang des Meßaufnehmers mit den Versorgungsspannungs-Eingängen des Modulators, des Verstärkers und des Demodulators; den Ausgang des Modula-

tors mit dem Eingang der DMS-Brücke; den Ausgang der DMS- Brücke mit dem Eingang des Wechselspannungsverstärkers; den Ausgang des Wechselspannungsverstärkers mit dem Eingang des Demodulators; und schießlich den Ausgang des Demodulators mit dem Signalausgang des Meßaufnehmers. Dabei haben der Versorgungsspannungs-Eingang und der Signalausgang des Meßaufnehmers jeweils zwei Anschlußpunkte (Anspruch 13) . Diese besonders einfache Verschaltung der einzelnen Module trägt dazu bei, Fehler gering zu halten und den Differenz- Charakter des Meßbrücken-Signals zu wahren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsfor des Modulationsver¬ stärkers ist dem Demodulator ein RC-Tiefpaßfilter nachge¬ schaltet (Anspruch 14) . Dieser Filter eliminiert hochfre- quente Spannungen, die von nicht idealen Eigenschaften der Schalter und Verstärker herrühren können. Der RC-Tiefpaß- filter kann aber in einem externen Schaltkreis bereitge¬ stellt werden. Gegebenenfalls kann sogar das die Meßanord¬ nung mit externen Auswertegeräten verbindende Kabel auf- grund seiner induktiven und kapazitiven Eigenschaften be¬ reits als Filter dienen.

In beiden Ausführungsformen werden dem symmetrischen Diffe¬ renzverstärker temperaturabhängige und -unabhängige Wider- stände zur Kompensation von Meßfehlern der DMS-Brücke und des Verstärkers vor- und/oder nachgeschaltet (Anspruch 18) . Dies schafft gegenüber den üblicherweise angewandten Ma߬ nahmen - einen abgeglichenen Meßaufnehmer zu erhalten - eine deutliche Vereinfachung des Abgleichprozesses. Übli- cherweise werden temperaturabhängige Widerstände auch dem Versorgungsspannungseingang der DMS-Brücke vorgeschaltet. Diese gängige Methode garantiert keine zuverlässige Fehler¬ kompensation. Zudem ist die Abstimmung für einzelne unter¬ schiedliche Meßaufnehmer aufwendig. Derartige Probleme treten bei der vorgenannten Maßnahme nicht auf.

Zur Fehlerkompensation ist bevorzugt den beiden negierten Eingängen des symmetrischen Differenzverstärkers eine aus vier Brückenzweigen zusammengesetzte Brückenschaltung vor¬ geschaltet, in der zwei Brückenzweige jeweils aus einem normalen und einem in Reihe geschalteten temperaturabhän¬ gigen Widerstand aufgebaut sind. Außerdem ist zwischen die negierten Eingänge des Differenzverstärkers und die Wider¬ standsbrücke jeweils ein Widerstand geschaltet. Schließlich ist die Widerstandsbrücke parallel zu der DMS-Brücke ange- ordnet (Anspruch 19) . Durch die Parallelschaltung dieser Widerstandsbrücke werden der Nullpunkt der DMS-Brücke und dessen Temperatureffekt besonders effektiv kompensiert.

Eine weitere bevorzugte Schaltungsvariante zur Fehlerkom- pensation in beiden Ausführungsformen sieht vor, daß die beiden Verstärkerausgänge des symmetrischen Differenzver¬ stärkers zusätzlich (zu den üblichen Widerständen) noch über einen temperaturabhängigen Widerstand verbunden sind (Anspruch 20) . Hierdurch wird die Temperaturabhängigkeit des DMS-Brückenausgangssignals kompensiert, und das Driften des Verstärkungsfaktors auf einfache Art und Weise unter¬ drückt. Dieses Driften tritt häufig dadurch auf, daß die übrigen den Verstärkungsfaktor bestimmenden Widerstände bei unterschiedlichen Temperaturen schwanken.

In beiden Ausführungsformen kann den beiden Versorgungs- spannungs-Eingängen der DMS-Brücke jeweils ein Widerstand vorgeschaltet werden (Anspruch 21) . Damit kann der Lei¬ stungsverbrauch in der DMS-Brücke eingestellt werden. Folg- lieh kann dieser Verbrauch bei Bedarf so herabgesetzt wer¬ den, daß die gesamte Meßanordnung sinnvoll mit im Handel erhältlichen Batterien ausreichend lang betrieben werden kann. Diese Maßnahme öffnet damit einen großen Markt für besonders kostengünstige Meßvorrichtungen.

In beiden Ausführungsformen sind der Meßaufnehmer und die Zusatz-Schaltung bevorzugt räumlich nahe beieinander an-

geordnet (Anspruch 5) . Damit bieten beide Ausführungsformen den Vorteil einer von einer externen Beschaltung unabhängi¬ gen Kompensation etwaiger Fehler der Zusatzschaltung und der DMS-Brücke. Es können nämlich in einem Schritt die übliche Einstellung des Nullpunktes sowie die Korrektur der Temperaturfehler des Meßaufnehmers vorgenommen und die Tem¬ peraturabhängigkeit des Nullpunktes und des Verstärkungs¬ faktors sowie dessen Offset-driften kompensiert werden. Hierzu werden die Fehler am Ausgang der Meßanordnung gemes- sen und in einem Schritt - sowohl für die DMS-Brücke als auch für die Zusatz-Schaltung - eliminiert bzw. kompen¬ siert.

Bevorzugt bildet der mit dem DMS-Teil und der Zusatz-Schal- tung bestückte Meßaufnehmer einen passiven Meßaufnehmner nach (Anspruch 6) . Dabei weist der Meßaufnehmer bevorzugt vier elektrische Anschlüsse auf, nämlich zwei für die Ein¬ gangsspannung und zwei für das Ausgangssignal (Anspruch 7) . Damit weist die Meßanordnung außen weiterhin vier Anschluß- punkte auf, von denen zwei für die Spannungsversorgung der DMS-Brücke - und der Zusatzschaltung - zuständig sind, und zwei das (vor-)verstärkte Ausgangssignal liefern. Ein Be¬ nutzer dieses Meßaufnehmers kann also von außen nicht er¬ kennen, ob er einen passiven Meßaufnehmer, d.h. einen Meß- aufnehmer ohne nachgeschalteten, integrierten (Vor-)Ver¬ stärker, oder einen erfindungsgemäßen Meßaufnehmer in Hän¬ den hat. An den erfindungsgemäßen Meßaufnehmer können also weiterhin alle weiterverarbeitenden externen Geräte wie ge¬ habt angeschlossen werden. Ihnen wird jedoch nunmehr ein verstärktes Signal zugeführt.

Bevorzugt ist die Zusatz-Schaltung als Hybridstruktur auf Wärme gut leitende Keramik aufgebaut (Anspruch 8) . Die so erhaltene Einheit kann damit auf dasselbe Metall des Meß- aufnehmers aufgeklebt werden, auf dem auch das DMS-Teil aufliegt. Damit befinden sich die DMS-Brücke und die Zu¬ satzschaltung in einem isothermen Zustand, der bei der

Kompensation von Temperatureffekten besonders vorteilhaft ist.

Den Meßanordnungen beider Ausführungsformen kann bevorzugt ein Analog-zu-Digitalwandler und/oder ein Mikroprozessor nachgeschaltet werden (Anspruch 22) . Der Analog-zu-Digital- wandler kann einer verbesserten Anschaltbarkeit an digitale Auswertegeräte dienen, wobei der Wandler alleine oder kom¬ biniert mit einem Mikroprozessor ein digitales Kommunika- tionsprotokoll oder eine Vorverarbeitung des Signales be¬ reitstellen kann.

Gemäß Anspruch 23 werden beide Meßanordnungen für allgemei¬ ne Meßaufgaben verwendet, insbesondere für handelsübliche Haushalts- oder Industriewaagen. Dank des einfachen Aufbaus der Zusatzschaltungen kommt die gesamte Meßanordnung mit einer geringen Zahl an elektronischen Komponenten aus. Dies -zeichnet sie gerade für die Verwendung von Wägevorrichtun¬ gen o.a. aus, bei denen die Spannungsversorgungen von han- delsüblichen Batterien bereitgestellt wird. Die erste Aus¬ führungsform findet insbesondere in elektrischen Geräten Verwendung, die eine Wechselspannung als Spannungsversor¬ gung der DMS-Brücke bereitstellen.

Anspruch 24 stellt einen Modulationsverstärker für Brücken¬ schaltungen zur Verfügung, der sich inbesondere für eine der beiden obengenannten Ausführungsformen der Meßanordnung eignet und im wesentlichen folgende Bauteile aufweist: einen als Rechteckgenerator ausgebildeten Modulator; einen Wechselspannungsverstärker; und schließlich einen Demodula¬ tor in Form eines aus vier elektronischen (Ein-Aus) Schal¬ tern oder zwei elektrischen Wechselschaltern zusammengeset¬ zten Brückengleichrichters. Dieser Modulationsverstärker ist dank seines einfachen Aufbaus für alle denkbaren Brük- kenschaltungen als (Vor-)Verstärkerschaltung geeignet, vor allem, wenn es darauf ankommt, einen kostengünstigen, leicht abstimmbaren, stabilen und nahezu temperaturunab-

hängigen Verstärker zu schaffen, der außerdem den Diffe¬ renzcharakter des Brückenausgangssignals beibehält. Dieser Modulationsverstärker stellt nicht nur die Vorteile der Modulationsverstärkertechnik bzw. Trägerfrequenzmodulation zur Verfügung, sondern ermöglicht auch die gleichzeitige Nutzung bereits vorhandener einfacher Gleichspannungsver¬ sorgungen und damit einhergehender, anschließender Verstär- kungs- oder Verarbeitungsmethoden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus¬ führungsbeispiele. In dieser Beschreibung wird auf die beigefügte schematische Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Verschaltung eines eine DMS-Brücke und eine Zusatzschaltung aufweisenden Meßaufnehmers mit einer externen elektronischen Spannungsversorgung und Datenverarbeitung; Fig. 2 ein Schaltschema einer DMS-Brücke mit Modula¬ tionsverstärker; Fig. 3 ein Schaltschema einer DMS-Brücke mit einem sym¬ metrischen Differenzverstärker bei externer Wech¬ selspannungsspeisung; Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Modulationsverstärker, welcher den Verstärkerteil und Fehlerkorrektur¬ glieder zeigt; Fig. 5 einen symmetrischen Differenzverstärker mit nach¬ geschaltetem Subtrahierer gemäß dem Stand der Technik.

Im folgenden werden in sämtlichen Figuren für funktions¬ gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 veranschaulicht in schematischer Form die Verschal¬ tung eines erfindungsgemäßen Meßaufnehmers 1 mit einem gängigen externen elektronischen Versorgungs- und Verarbei-

tungsschaltkreis 2. Der Schaltkreis 2 versorgt den Meßauf¬ nehmer 1 über zwei Anschlußpunkte 4a und 4b mit Gleichspan¬ nung oder Wechselspannung. Zugleich empfängt er dessen Ausgangssignale über zwei Anschlußpunkte 8a und 8b und ver- arbeitet sie dann. In den Meßaufnehmer 1 sind eine DMS (Dehnungsmeßstreifen)-Brücke 10 und eine Zusatz-Schaltung 20 integriert. Der Aufbau der DMS-Brücke 10, die im wesent¬ lichen aus den Brückeneingängen 14a und 14b, den Brücken¬ ausgängen 18a und 18b sowie den als Brückenzweige geschal- teten DMS-Widerständen 15 besteht, und deren Integration in den Meßaufnehmer 1 sind bekannt. Sie werden deshalb hier nicht weiter beschrieben. Die Zusatz-Schaltung 20 besteht im wesentlichen aus einem Modulationsverstärker (Fig. 2) oder aus einem symmetrischen Differenzverstärker (Fig. 3) . Derartige Verstärker sind ebenfalls grundsätzlich bekannt, nicht aber deren Integration in den Meßaufnehmer 1 und die damit erzielbare große räumliche Nähe zwischen der DMS- Brücke 10 und der Zusatzschaltung 20. Der erfindungsgemäße Meßaufnehmer 1 unterscheidet sich demnach von einem gängi- gen passiven DMS-Meßaufnehmer, d.h. Meßaufnehmer, der nur eine DMS-Brücke aufweist, durch seine Zusatzschaltung 20.

Der externe Schaltkreises 2 versorgt die Zusatz-Schaltung 20 über die Anschlußpunkte 4a und 4b des Meßaufnehmers 1 mit Gleich- oder Wechselspannung. Diese wiederum versorgt die DMS-Brücke 10 an den beiden Anschlußpunkten 24a und 24b mit einer Wechselspannung. Gleichzeitig empfängt sie deren Meßsignale an den beiden Anschlußpunkten 28a und 28b. Die

Zusatzschaltung 20 verarbeitet die Meßsignale und gibt sie über die beiden Anschlußpunkte 8a und 8b des Meßaufnehmers 1 an den externen Schaltkreis 2 weiter. Dort kann das Me߬ signal zunächst mittels eines Verstärkers 9 auf herkömm¬ liche Art und Weise verstärkt und dann verarbeitet werden. Der gesamte Signalaustausch zwischen dem Meßaufnehmer 1 und dem externen Schaltkreis 2 wird über ein Zuleitungskabel 5 geführt.

Offenbar läßt sich der erfindungsgemäße Meßaufnehmer 1 in genau gleicher Art und Weise wie ein gängiger passiver Me߬ aufnehmer an einen (gängigen) externen Versorgungsspan- nungs- und Signalauswertungsschaltkreis 2 anschließen. Benutzerseitig ist also keinerlei Umrüstung bei einem Wech¬ sel zwischen passiven und erfindungsgemäßen Meßaufnehmern erforderlich. Äußerlich ist auch kein Unterschied er¬ sichtlich. Jedoch stellt die Zusatzschaltung 20 ein ver¬ stärktes Signal an den beiden Anschlußpunkten 8a und 8b des Meßaufnehmers 1 bereit, das z.B. zehnmal größer als das Ausgangssignal der DMS-Brücke 10 an den Anschlußpunkten 28a und 28b ist. In diesem Beispiel weist der Meßaufnehmer 1 also einen zehnmal kleineren Speisestrom, eine zehnmal bessere Wägeauflösung oder eine zehnfache Überladekapazität auf.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Schaltschema für eine als Modulationsverstärker ausgebildete Zusatz-Schaltung 20. Der Modulationsverstärker besteht im wesentlichen aus einem Modulator 30, einem Wechselspannungsverstärker 40 und einem Demodulator 50. Zwischen den Demodulator 50 und die Signal- ausgangs-Anschlußpunkte 8a und 8b ist noch ein Tiefpaßfil¬ ter 60 geschaltet.

Die über die Anschlußpunkte 4a und 4b zugeführte Versor¬ gungsspannung (siehe gestrichelte Linie) ist hier eine Gleichspannung, die parallel über Zweigleitungen 36a und 36b, 46a und 46b sowie 56a und 56b jeweils am Modulator 30, am WechselspannungsVerstärker 40 und am Demodulator 50 an- liegt. Der Modulator 30 enthält im wesentlichen einen Rechteckgenerator 32, welcher aus der Versorgungsspannung zwei um 180° phasenversetzte Wechselspannungszüge erzeugt. Der eine Wechselspannungszug wird als Eingangsspannung dem einen Eingang 14a der DMS-Brücke 10 zugeführt, und zwar über einen Widerstand 35a und den einen Zusatzschaltung- Ausgang 24a. Der andere Wechselspannungszug wird - über einen Widerstand 35b und den anderen Zusatzschaltung-Aus-

gang 24b - dem anderen Eingang 14b der DMS-Brücke 10 zu¬ geführt.

Die zwei Ausgänge 18a und 18b der DMS-Brücke 10 sind über die beiden Zusatzschaltung-Eingänge 28a und 28b mit zwei Signal-Eingängen 44a und 44b des Wechselspannungsverstär¬ kers 40 verbunden. Dieser ist im wesentlichen als symmetri¬ scher Differenzverstärker ausgebildet, enthält also im we¬ sentlichen zwei symmetrisch zu einem Widerstand R2 angeord- nete Operationsverstärker 42a und 42b. Die (nicht-negier- ten) Eingänge 44a und 44b dieser beiden Operationsverstär¬ ker 42a und 42b bilden die Signaleingänge des Wechselspan¬ nungsverstärkers 40. Die beiden Ausgänge 48a und 48b der Operationsverstärker 42a und 42b sind jeweils über einen Widerstand Rl zu den negierten Operationsverstärkereingän¬ gen 45a und 45b zurückgeführt und miteinander über die Reihenschaltung: Widerstand Rl - Widerstand R2 - Widerstand -Rl verbunden. Der Verstärkungsfaktor dieses symmetrischen Differenzverstärker errechnet sich also zu G = 1+2*R1/R2 und kann über die Widerstände Rl und R2 eingestellt werden. Die beiden Ausgänge 48a und 48b der Operationsverstärker 42a und 42b bilden die Ausgänge des Wechselspannungsver¬ stärkers 40. An ihnen steht ein verstärktes Differenzsignal in Form einer Wechselspannung an, die in Frequenz und Phase mit der resultierenden Eingangsspannung der DMS-Brücke 10 übereinstimmt. Dieses Differenzsignal wird dem Demodulator 50 zugeführt.

Hierzu sind die beiden Verstärker-Ausgänge 48a und 48b mit zwei Eingängen 54a und 54b des Demodulators 50 verbunden. Dieser besteht gemäß Fig. 2 im wesentlichen aus vier analo¬ gen Schaltern 52a, 52b und 53a, 53b, welche die beiden Eingänge 54a und 54b mit zwei Ausgängen 58a und 58b des Demodulators 50 derart verbinden, daß jeder Eingang 54a und 54b abwechselnd mit jedem Ausgang 58a und 58b verbunden wird. Hierzu ist zunächst jeder Demodulator-Ausgang 58a und 58b mit einem aus zwei der vier Schalter 52a,b und 53a,b

gebildeten Schalterpaar 52a und 53a bzw. 52b und 53b ver¬ bunden; nämlich, der Ausgang 58a mit den Schaltern 52a und 53a und der Ausgang 58b mit den Schaltern 52b und 53b. Außerdem verzweigt sich jeder Demodulator-Eingang 54a und 54b in zwei Zweigleitungen, die unterschiedlichen Schal¬ terpaaren zugeführt sind, und zwar derart, daß die vier Zweigleitungen und die vier Schalter 52a,b und 53a,b ein¬ ander umkehrbar-eindeutig zugeordnet sind. Das Um- bzw. EIN-/AUS-Schalten der vier Schalter 52a,b und 53a,b wird von den beiden rechteckförmigen Ausgangssignalen des Modu¬ lators 30 gesteuert, d.h. denjenigen Signalen, welche auch als Eingangsspannung der DMS-Brücke 10 zugeführt werden. Hierzu taktet jedes der beiden Modulator-Ausgangssignale gleichzeitig in jedem der beiden Schalterpaare 52a,53a und 52b,53b genau einen Schalter derart an, daß die beiden vom selben Signal getakten Schaltern 52a,53b oder 53a,52b ab¬ wechselnd öffnen und schließen und dabei untereinander -stets komplementäre Schaltzustände einnehmen. Im Ergebnis bildet der Demodulator 50 einen Brückengleichrichter, wel- eher die Verbindung zwischen seinen Ein- und Ausgängen zyklisch im Takt der Modulationsfrequenz vertauscht. Damit liegt an den Ausgängen 58a und 58b des Demodulators 50 eine (differentielle) Gleichspannung an, deren Amplitude mit der der Wechselspannung an den Ausgängen 48a und 48b des Wech- selspannungsverstärkers 40 übereinstimmt.

Die Schaltung stellt also eine phasenempfindliche Demodula¬ tion des Wechselspannungssignals in ein Gleichspannungsaus- gangssignal bereit.

Die Demodulator-Ausgänge 58a und 58b sind gemäß Fig. 2 über den einfachen RC-Tiefpaßfilter 60 mit den Ausgängen 8a und 8b des Meßaufnehmers 1 verbunden. Der Tiefpaßfilter 60 un¬ terdrückt hochfrequente Spannungen, die aufgrund nicht perfekter Schalter und Verstärkerschaltungen auftreten können. Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten Wider¬ ständen 62a und 62b und einem dazwischen angeordneten Kon-

densator 65. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 60 wird über den Kondensator 65 abgegriffen. Die Spannung an den mit dem Tiefpaßabgriff verbundenen Ausgängen 8a und 8b des Meßauf¬ nehmers 1 ist eine verstärkte, ansonsten aber exakte Nach- bildung derjenigen Gleichspannung, welche die eingangs genannten, gängigen passiven Meßaufnehmers liefern: d.h. Meßaufnehmer, die im wesentlichen nur eine DMS-Brücke mit den Anschlußpunkten 14a,b und 18a,b bzw. 24a,b und 28a,b aufweisen. Bei diesem Vergleich ist noch zu berücksichti- gen, daß den beiden Widerständen 62a und 62b exakt der halbe Wert des Ausgangswiderstandes des passiven Meßauf¬ nehmers gegeben werden müßte.

Grundsätzlich kann der Tiefpaßfilter 60 auch weggelassen und entweder das (den externen Schaltkreis 2 und den Me߬ aufnehmer 1 verbindende) Zuleitungskabel 5 mit seinen kapa¬ zitiven und induktiven Eigenschaften als Tiefpaßfilter verwendet oder ein Tiefpaßfilter im externen Schaltkreis 2 bereitgestellt werden.

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema eines Meßaufnehmers 1, der von extern mit einer Wechselspannung gespeist wird und als Meßsignal eine Wechselspannung abgibt. Hierzu weist der Meßaufnehmer 1 die beiden Speise-Anschlußpunkte 4a und 4b und die Meßsignal-Anschlußpunkte 8a und 8b auf. Er besteht im wesentlichen wiederum aus der DMS-Brücke 10 mit der ZusatzSchaltung 20, die hier jedoch als symmetrischer Dif¬ ferenzverstärker 40 mit zusätzlichem Brückengleichrichter 70 ausgebildet ist. Im Vergleich zu der Zusatzschaltung der Fig. 2 sind hier also der Modulator 30, der Demodulator 40 und der Tiefpaßfilter 60 weggelassen, dafür aber der Brük- kengleichrichter 70 hinzugefügt. Die an den Anschlußpunkten 4a und 4b eingehende, ggf. modulierte Versorgungsspannung wird intern sowohl der DMS-Brücke 10 über deren Eingänge 14a und 14b als auch dem Gleichrichter 70 über seine Ein¬ gänge 74a und 74b zugeführt. Letzterer ist aus vier Dioden 72 zusammengesetzt. Der Gleichrichter 70 formt aus dem über

seine Eingangs-Anschlußpunkte 74a und 74b erhaltenen Wech¬ selspannungssignal eine Gleichspannung, die von seinen beiden Ausgangs-Anschlußpunkten 78a und 78b an die Span- nungsversorgungs-Zweigleitungen 46a und 46b des symmetri- sehen Differenzverstärker 40 gelegt wird. Den beiden Aus¬ gangs-Anschlußpunkten 78a und 78b des Gleichrichters 70 ist ein Kondensator 75 zum Glätten der Versorgungsspannung parallel nachgeschaltet.

Die zwei Ausgänge 18a und 18b der DMS-Brücke 10 sind über die beiden Zusatzschaltung-Eingänge 28a und 28b mit den zwei Signal-Eingängen 44a und 44b des symmetrischen Diffe¬ renzverstärkers 40 verbunden. Das an den zwei Ausgängen 48a und 48b des Wechselspannungsverstärkers 40 anstehende ver- stärkte Differenzsignal ist - wie bei der vorangehenden Ausführungsbeispielen - eine Wechselspannung mit derglei¬ chen Frequenz und Phase, wie die resultierende Ein- -gangsspannung der DMS-Brücke 10. Dieses Ausgangssignal wird dem Ausgang des Meßaufnehmers über die beiden Ausgangs- Anschlußpunkte 8a und 8b zugeführt.

Von außen kann also ein beliebig geformtes Wechselspan¬ nungssignal von dem externen Schaltkreis 2 an den Meßauf¬ nehmer 1 gelegt werden, wobei vom Ausgang des Meßaufnehmers 1 ein verstärktes Meßsignal an den externen Schaltkreis 2 zurückgeführt wird.

Die fehlende Gleichspannung als Versorgungsspannung für den symmetrischen Differenzverstärker 40 wird somit über den Gleichrichter 70 erzeugt, der die zur Speisung der DMS- Brücke 10 angelegte modulierte Wechselpannung für den Wech¬ selspannungsverstärker 40 gleichrichtet.

In den beiden Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 wird er- findungsgemäß auf einen symmetrischen Differenzverstärker 40 zurückgegriffen. Dabei bieten sich mindestens drei Vor¬ teile. Erstens wird eine einfache Nachbildung des Diffe-

renzCharakters der DMS-Brücke 10 erzielt, wie aus der sym¬ metrischen Anordnung der einzelenen Komponenten in Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. Zweitens werden - dank der durch¬ gehend symmetrischen Differenzstruktur der gesamten Schaltung - Fehler weitgehend unterdrückt, die z.B. von nicht perfekten elektronischen Bauteilen herrühren (z.B. ein Übersprechen der Steuersignale auf den Ausgang der Schalter 52a,b und 53a,b) . Drittens wird dem demodulierten Signal durch die Differenzbildung keine Gleichspannung als Fehlspannung überlagert.

In beiden Ausführungsformen kann eine unabhängige Kompensa¬ tion von Fehlern der passiven Meßbrücke über zusätzliche Kompensationswiderstände erreicht werden. Fig. 4 zeigt ein Widerstandsnetzwerk, das dem symmetrischen Differenzver¬ stärker 40 hinzugefügt wird. Das Widerstandsnetzwerk be¬ steht im wesentlichen aus einer Widerstandsbrücke 80 und drei zusätzlichen Widerständen R3c, R4c und 87. Die Wider¬ standsbrücke 80 hat die beiden Brücken-Eingänge 84a und 84b und die beiden Brücken-Ausgänge 88a und 88b. Die Brücken- Eingänge 84a und 84b sind mit den Eingängen 14a und 14b der DMS-Brücke 10 parallelgeschaltet. Der Brücken-Ausgang 88a liegt über den Widerstand R4c am negierten Eingang 45a des Operationsverstärkers 42a; der Brücken-Ausgang 88b über den Widerstand R3c am negierten Eingang 45b des Operationsver¬ stärkers 42b. Die Widerstandsbrücke 80 ist aus Widerständen R3a,b und R4a,b und temperaturabhängigen Widerständen 85a,b derart zusammengesetzt, daß der Widerstand R4a einen ersten Brückenzweig, der Widerstand R4b zusammen mit dem tempe- raturabhängigen Widerstand 85b eine zweiten Brückenzweig, der Widerstand R3b einen dritten Brückenzweig und der Wi¬ derstand R3a zusammen mit dem temperaturabhängigen Wider¬ stand 85a einen vierten Brückenzweig bilden. Dabei greift der Brücken-Ausgang 88a der Widerstandsbrücke 80 zwischen dem ersten und dem zweiten Brückenzweig ab; der Brücken- Ausgang 88b zwischen dem dritten und dem vierten Brücken¬ zweig. Der temperaturabhängige Widerstand 87 ist in Reihe

mit dem Widerstand R2 geschaltet und bestimmt zusammen mit den Widerständen Rl und R2 den Verstärkungsfaktor des sym¬ metrischen DifferenzVerstärkers 40.

Damit kompensieren die Widerstände R3a, b, c und R4a, b, c zusammen mit den temperaturabhängigen Widerständen 85a, b den Nullpunkt der DMS-Brücke 10, wobei außerdem noch die temperaturabhängigen Widerstände 85a, b eine temperatur¬ abhängige Nullpunktsverschiebung der DMS-Brücke 10 und des symmetrischen Differenzverstärkers 40 sowie der temperatur¬ abhängige Widerstand 87 die Temperaturabhängigkeit des DMS- Brückenausgangssignals und des Verstärkungsfaktors des symmetrischen Differenzverstärkers 40 ausgleichen. Diese Kompensation ist identisch für Wechselspannungs- oder Gleichspannungsversorgung und -Verstärkung.