Verfahren zur Dehnungsmessung mittels elektrischer Widerstandsdehnungsmessstreifen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dehnungsmessung mittels elektrischer Widerstandsdeh- nungsmessstreifen sowie einen Dehnungsmessstreifen zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist seit langem bekannt, dass in manchen Messinstrumenten die Messgenauigkeit bzw. das Messergebnis von der Temperatur der Messeinrichtung abhängt. In manchen FälDen geht mit einer Temperaturerhöhung eine Erhöhung des Messergebnisses einher, in anderen Fällen erniedrigt sich das Messergebnis bei einer Temperaturerhöhung.
Es ist Aufgabe des Konstrukteurs, die Beziehung zwischen der Messgenauigkeit und der Temperatur, der das Messwerk ausgesetzt ist, zu berucksichtigen. Auf dem Gebiet der elektrischen Widerstandsdehnungs- messstreifenmessung wurde die Berücksichtigung des Temperatureinflusses bisher meist so vorgenommen, dass ein temperaturabhängiger Widerstand als Me¯ brückenkorrektionsglied in den Stromvorsorgungs- kreis der Brücke eingefügt wurde.
Dies hatte allerdings eine ziemliche Begrenzung des Anwendungsbereiches des Dehnungsmessstreifen-Messverfahrens zur Folge, denn bei Me¯objekten, die einem Temperaturgefälle ausgesetzt sind, kann die Temperatur am Korrekturdehnungsmessstreifen recht verschieden von der am Messdehnungsmessstreifen sein.
Es ist schon vorgeschlagen worden, die Temperatureinflüsse innerhalb des einzelnen Messelementes selbst durch Reihenschaltung von zwei Drähten aus Materialien verschiedenen Temperaturverhaltens, die bezüglich ihrer Länge entsprechend abgeglichen sind, zu kompensieren. Dadurch wurde in vielen FÏllen nicht nur eine Vereinfachung in der Anwendung des Messgliedes erzielt, sondern es konnten auch Messaufgaben gelöst werden, bei welchen eine Mehrzahl von Messelementen für eine einzige Messung eingesetzt sind, wobei durch die zwischen ihnen und bei jedem Messelement selbst differieren- den Temperaturen automatisch die gewünschte Kor rektur unabhängig voneinander übernommen wurde.
Messungenauigkeiten entstehen ferner dadurch, dass bei nahezu allen elastischen Materialien die Dehnung als Funktion der Spannung (oder der Youngsche Elastizitätsmodul) innerhalb eines geF wissen Bereiches temperaturabbängig ist. Es. ist beispielsweise dem Waagenbauer bekannt, dass mittels einer Federwaage keine genaue Wägung zu erzielen ist, es sei denn, es werden besondere Hilfsmittel angewandt, um den genannten Effekt zu verringern oder zu korrigieren. Auf dem Gebiet der Dehnungsmessstreifenmessung gelten dieselben Verhältnisse wie bei der Messung mit einer Federwaage, denn der Dehnungsmessstreifen misst ja auch die Dehnung einer Feder in Abhängigkeit von der jeweiligen Last.
Beim Verfahren zur Dehnungsmessung nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein aus mehreren Widerstandsteilen bestehen- des Messellement verwendet wird, dessen einzelne Widerstandsteile hinsichtliich Material und Ab- messungen derart gewählt werden, dass temperatur- bedingte Anderungen dles Elastizitätsmodul ! s des Prüfkörpers durch die Temperaturabhängigkeit der Gesamtcharakteristik des elektrischen Widerstandes in Funktion der Dehnung des Messstreifens ausgeglichen werden.
Der Dehnungsmessstreifen gemäss der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sein Messelement aus mehreren Widerstandsteilen aus verschiedenen Materialien besteht, die bezügllich ihrer Temperaturabhängigkeit so ausgewählt sind, dass wenigstens temperaturbedingte Anderungen des Elastizitäts- moduls des Prüfkörpers durch die Temperaturab- hängigkeit des Gesamtwiderstandes des Messelemen- tes ausgeglichen werden.
Mehrere Ausf hrungsformen und vorteilhafte Verwendungen des Dehnungsstreifens s gemϯ der Erfindung sind nachstehend an Hand der beiliegen- den Zeichnung rein beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt in Form eines Diagrammes das Prinzip der Erfindung.
Fig. 2 stellt eine Lastmesseinrichtung dar, aus der die Bedeutung der Kurven nach Fig. 1 hervorgeht.
Fig. 3 zeigt einen Dehnungsmessstreifen mit Kompensation des Elastizitätsmoduls.
Fig. 4 zeigt die bekannte Messbrücke unter Verwendung der kompensierten Dehnungsmessstreifen.
Fig. 5 zeigt einen modulkompensierten Deh nungsmessstreifen, der aus parallel geschalteten Komponenten aufgebaut ist, während
Fig. 6 einen solchen mit in Serie geschalteten Komponenten zeigt.
Fig. 7 zeigt einen Dehnungsmessstreifen, der sowohl eine Kompensation des Temperaturkoeffizlen- ten als auch eine solche des Elastizitätsmoduls aufweist.
Der Elastizitätsmodul (Young-Modul) von praktisch allen Materialien ist von der Temperatur ab hängig. Für die praktisch verwendeten Metalle, wie z. B. Stahl und Aluminium, liegt die Änderung d'es Elastizitätsmoduls in der Grenze von etwa 4 % pro 100¯ Temperaturänderung, wobei der Elasti- zitÏtsmodul mit steigender Temperatur fällt. Es gibt e. inige bemerkenswerte Ausnahmen von dieser Regel, nämlich SpezialLegierungen (beispielsweise Elinvar und Ni-Span-C), welche so zusammengesetzt sind, da¯ sie einen verhältnismässig temperaturkon stanten Elastizitätsmodul haben.
Einige Legierungen zeigen einen steigenden Ela stizitätsmodul bei steigender Temperatur. Solche Legierungen werden einzeln oder in Kombination in Instrumenten benutzt, um zu erreichen, dass die Genauigkeit oder die Empfindlichkeit des Instrumentes von der Temperatur unabhängig wird.
Unter dem Messstreifenfaktor oder der Dehnungsempfindlichkeit eines Drahtes versteht man das Verhältnis der relativen Widerstandsänderung zur relativen Längenänderung.
Diese Dehnungsempfindlichkeit ist bei vielem Drahtmaterial, d'as bei geklebten und ungektebten Widerstandsdehnungsme¯streifen benutzt wird, gleichzeitig eine Funktion der Temperatur, da verschiedene Legierungen verschiedene Temperatureffekte aufweisen. Beispielsweise ist die Dehnungsempfindlichkeit von Konstantandraht über den normalen Operations- bereich relativ konstant, während andere Legie- rungen eine Dehnungsempfindlichkeit haben, die mit zunehmender Temperatur wächst, beispielsweise wächst die DehnungsempfincEichkeit der Jelliff Legierung 1000 , die von der C. O. Jelliff Mfg.
Corp. in Southport, Conn. hergestellt wird, etwa um den Betrag von 4 bis 6"/ & pro 100"C. Andere Legierungsdrähte haben eine Dehnungsempfindlichkeit, die bei zunehmender Temperatur abnimmt, z. B. ¸Kanthal¯ (eingetragene Marke) DR, welches von der Kanthal Corp. in Stanford, Conn. oder Iso-Elastic, welches von John Chattillon & Sons, New York, N. Y. und 479 Platinum Alloy, welches von der Sigmund Cohn Corp. in Mt. Vernon, N. Y. hergestallt wird.
Ein aus Konstantandraht hergestellter Dehnungsmessstreifen misst angenähert die wahre Dehnung unabhängig von der Temperatur, zeigt aber eine Zu nahme der Anzeige, wenn er an einen dauernd belasteten Prüfkörper geklebt ist, der in Abhängigkeit von einer Temperaturzunahme einer Verän- derung des Elastizitätsmoduls seines Materials un terworfen ist. Im Gegensatz dazu zeigt ein Messkörper, der aus der vorgenannten Legierung besteht, die eine mit zunehmender Temperatur wach sende Dehnungsempfmdlichkeit aufweist, eine Abnahme der Anzeige bei einer Temperaturzunahme, da seine Dehnungsempfindlichkeit stärker abnimmt als der Elastizitätsmodul des Prüfkörpermaterials bei dies, er Temperaturzunahme.
Fig. 1 zeigt die Verhältnisse in einem Diagramm. Die Kurven nach Fig. 1 zeigen die elektrische Ausgangsspannung U in Abhängigkeit von der Dehnung bei dem Dehnungsmessstreifen 1 nach Fig. 2, der zur Deh nungsmessung beispielsweise an den metallischen Biegestab 2 angekittet ist, welcher durch das Gewicht 3 belastet wird. Die Ausgangsspannung wurde ermittelt durch Anbringung und Wegnahme des Gewichtes 3 bei verschiedenen Temperaturen t, wobei sich die in Fig. 1 dargestellten Kurven ergaben.
Wenn der Dehnungsmessstreifen 1 aus Kon stantandraht besteht, dann ergibt die Brücken Ausgangsspannung die Kurve 18, besteht er dagegen aus der Legierung, die eine mit zunehmender Temperatur wachsende Dehnungsempfindlich- keit aufweist, dann wird die Kurve 19 als Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt.
Hier ist auf den Unterschied hinzuweisen, der zwischen der Dehnung als Folge des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Messgliedes, bei- spielsweise Dehnungsmessstreifen 2 in Fig. 2 besteht, und der Dehnung durch eine Last 3, die der Einfachheit halber als bei einer gleichbleibenden Temperatur erzeugt zu denken ist. Beide Phäno- mene haben gar nichts miteinander zu tun, werden aber leicht verwechselt, da der DehnungsmessstreiL fen 1 (Fig. 2) selbst gewissermassen beide sichte.
Die früheren Bauarten von kompensierten Dehnungsme¯streifen konnten gegen die Wärmedehnung des Balkens 2 unempfindlich gemacht werden ; das w rde aber nicht ihre Abhängigkeit von der angreifenden Last, wie durch die obere Kurve der Fig. 1 dargestellt für den Fall, da¯ der Dehnungsmessstreifen aus Konstantandraht besteht, verhin dern. Die Erfindung befasst sich mit dem letzteren Dehnungseffekt. Wenn von erzeugter Dehnung oder ¸erzeugter¯ Spannung die Rede ist, so wird im nachstehenden eine Dehnung oder eine Spannung als Folge einer Last oder Kraft, die auf e, in Konstruktionsteil angreift, verstanden.
Der Dehnungsmessstreifen 4 nach Fig. 3 weist eine Kombination aus einem Konstantandraht 5 und einem Draht 6 von der genannten Legierung auf, die eine mit zunehmender Temperatur wachsende Dehnungsempfindlichkeit aufweist. Ein solcher Dehnungsmessstreifen kann so durch entsprechende Wahl des Verhältnisses vom Konstantandraht zum Draht der genannten Legierung aufgebaut sein, dass seine Änderung der Dehnungsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur jeden vorbestimmten Wert zwischen zwei extremen Werten annehmen kann, die durch die Charakteristika jedes einzelnen Drahtes bestimmt sind.
Durch passende Wahl des Verhältnisses zwischen den Abmessungen von zwei Drähten eines Dehnungsmessstreifens kann die Empfmdlichkeitsänderung in Abhän- gigkeit von der Temperatur so festgelegt werden, dass sie der Änderung des Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit von der Temperatur des Materials des Prüfkörpers gleicht, an welchen der Dehnungsmessstreifen geklebt oder befestigt ist. Ein solcher Dehnungsmessstreifen zur Kompensation des Elasti- zitätsmoduls kann daher die Spannung oder dia Belastung unabhängig von der Temperatur des betreffenden Gliedes messen.
Ein elastizitätsmodul- kompensierter Dehnungsmessstreifen ist nicht nur zur Messung von Dehnungen selbst nützlich, sondern kann auch zur Anzeige von Druck, Last, Drehmoment oder anderen physikalischen Grossen herangezogen werden.
Die Ausführung von ellastizitätsmodlul-kompen- sierten Dehnungsmessstreifen ist nicht auf die beiden erwähnten Legierungen beschränkt, jed'och sind sie besonders geeignet, da die Dehnungsemp- findlichkeit von Konstantandraht mit grosser Genauigkeit innerhalb eines gröReren Temperaturbe- reiches konstant ist und die andere Legierung eine Dehnungsempfindlichkeit hat, die in diesem Bereich abnimmt. Weitere Legierungen zeigen ebenfalls mehr od'er weniger Veränderungen der Dehnungsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur.
Bei den meisten Mel3einrichtungen zur Benut- zung von Dehnungsmessstreifen, beispielsweise Lastund Druckzellen, werden vier zu einer Wheatston- schen Brücke miteinander verbundene Dehnungsstreifen verwendet. Um die Diagonalspannung einer solchen Brücke bei einer gegebenen Bedingung tem- peraturunabhängig zu machen, ist es nicht notwen dig, bei jedem einzelnen Dehnungsmessstreifen eine Elastizitätsmodulkompensation durchzuführen.
Beispielsweise kann die Modulkompensation der Brücke durch Ausführung von zwei Dehnungsmessstreifen 7 aus einem Draht und zwei solchen 8 aus einem anderen Draht verwirklicht werden, wenn sie, wie Fig. 4 zeigt, zu einer Brücke vereinigt sind und die Eichung durch Hinzufügung von Trimmerwiderständen 9, 9', 9", 9"' erzielt wird.
D, ie beiiden Drähte brauchen nicht unbedingt zu einem einzigen Dehnungsmessstreifen verbunden zu sein, sondern können auch konstruktiv in Form von unabhängigenDehnungsmessstreifen 10 und 11 (Fig. 5 und 6) verwirklicht werden, wenn diese, entsprechend Fi, g. 5, parallel oder, entsprechend Fig. 6, in Serie geschaltet sind, so dass sie in Wirklichkeit die Funktion eines einzigen Dehnungsmessstreifens übernehmen. In jedem Fall ist die relative Drahtlänge verschieden und wäre so zu wÏhlen, dass das gewünschte Ergebnis in tJberoinstimmung mit den vorgehend beschriebenen Prinzipien erhalten wird.
Das ist beispielsweise bei der Ausführung nach Fig. 3 der Fall.
Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, in welchem eine Kompensation des Temperatureffektes durch den Elastizitätsmoduleffekt eines Prüfkörpers bewirkt wird, dessen orzeugte Dehnung gemessen werden soll. Die Erfindung ist überall da anwendF bar, wo die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung des Dehnungsmessstreifens und der erzeugten Dehnung temperaturabhängig ist. Beispielsweise kann man die Veränderung des Youngschen Elastizitäts- moduls eines Prüfkörpers mit Hilfe des verbesser- ten Dehnungsmessstreifens nach der Erfindung messen oder kompensieren. In diesem Fall wird der Dehnungsmessstreifen so ausgelegt, dass seine Temperaturabhängigkeit Null ist.
Die Me¯anzeige entspricht dann direkt dem gewünschten Messeirgeb- nis, d. h. dem thermischen Koeffizienten des Elasti- zitätsmoduls für das betreffende Material.
Dur, ch Kombination der vorstehend beschriebenen Einrichtung zur Modulkompensation mit der bekannten Einrichtung zur Temperaturkompensation von Dehnungsmessstreifen ist es möglich, den Temperatureffekt sowohl auf Null als auch auf c < Modul zu kompensieren. Die letztgenannte Einrichtung weist bekanntlich einen Dehnungsmessstreifen auf mit zwei in Reihe geschalteten Drähten aus verschiedenem Material.
Das Längenverhältnis der beiden Drähte ist dabei so festgelegt, dass die Widerstandszunahme mit der Temperatur als Folge sowohlt der Wärmedlehnung als auch der Widerstandsänderung des einen Widar- standsmaterials ausgeglichen wird durch eine ent- sprechende Widerstandsabnahme des anderen. Der eine Draht mu¯ dabei emen positiven und der andere einen negativen Temperaturkoeffizienten haben. Unter Temperatureffekt au± Nulll sei hier der Einfluss der Temperatur bei Nichtorzeugung einer Dehnung verstanden, wobei für den Biegriff erzeugte Dehnung dile zuvor gebrachte Definition gilt.
Ein Drahtdehnungsmessstreifen mit kombinierter Temperatur-und Modulkompensatim kann dabei aus zwei, drei oder mehr entsprechend ausge wählten Drähten, wie Fig. 7 zeigt, aufgebaut sein.
Der Draht 12 besteht in diesem Fall aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten, während die Drähte 13 und 14 aus entsprechend gewähltem Konstanten bestehen, wobei beide ähn- liche Temperaturempfindlichkeitskoeffizienten, aber verschiedeneTemperaturwiderstandskoeffizienten auf- weisen. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses der Abmessungen der Widerstände 12, 13 und 14 kann die Anderung des ElastizitÏtsmoduls bei Temperaturänderungen kompensiert werden. Durch Veränderung des Verhältnisses von Draht 14 zu Draht 13 ist es möglich, die Veränderung der Null- anzeige des Gerätes bei verschiedenen Temperaturen zu kompensieren.
Wenn es natürlich auch möglich ist, entsprechend Fig. 3, zwei Drähte 5 und 6 zu finden, welche die erforderlichen Charak teristika besitzen, um sowohl eine Null-als auch eine Elastizitätsmodulkompensation zu verwirklichen, ist es jedoch bedeutend praktischer, die Drähte 13 und 14 so zu wählen, dass der eine einen relativ hohen negativen und der andere einen relativ hohen positiven Widerstandskoeffizienten aufweist und sie so zu kompensieren, dass sie den Temperaturkoef- fizienten des Drahtes 12 zum Verschwinden bringen.
Wenn der Draht 12 entweder einen hohen negativen Widerstandskoeffizienten oder einen hohen positiven Widerstandskoeffizienten aufweist, dann können die Drähte 13 und 14 beide einen Wider standskoeffizienten von demselben Vorzeichen, aber verschiedener Grösse haben, wobei der Koeffizient beider dem des Drahtes 12 entgegengesetzt sein muss. Einer der beiden Drähte 13 oder 14 kann dabei einen extrem hohen Widerstandstemperatur- koeffizienten aufweisen, beispielsweise aus Nickel oder Kupfer bestehen, und trotzdem kann die gesamte Wirkung so gering sein, dass sie in bezug auf die Dehnungsempfindlichkeit des Gesamtgerätes zu vernachlässigen ist.
Bei den in den Fig. 3-7 gezeigten Dehnungsmessstreifen handelt es sich um die bekannte geklebte Ausführung, bei welcher eine isolierte Unterlage 15, beispielsweise Papier, verwendet wird, auf welches die Drähte über ihre gesamte wirksame Länge mit Hilfe eines üblichen Klebemittels befe- stigt werden. Die Klebebereiche 16 sind in den Figuren punktiert dargestellt. Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich selbstverständlich auch auf nicht geldebte Dehnungsmessstreifen.
Die geklebten Dehnungsmessstreifen brauchen nicht direkt an dem Glied befestigt zu werden, dessen Dehnung gemessen werden soll, sondern können auch an ein Hilfsglied geklebt werden ; sie können ferner zur Messung der Bewegung zwischen zwei getrennten Gegenständen benutzt werden. Das Vorstehende gilt grundsätzlich auch für die ungeklebten Widerstandsdehnungsmessstreifen.
Geklebte Widerstandsdehnungsmessstreifen, die für kombinierte Modul-und Temperaturkompensa- tion eingerichtet sind, sowic Dehnungsmessstreifen, die für Modulkompensation allein eingerichtet sind, können auch an Stellen nützlich eingesetzt werden, wo starke Temperaturänderungen vorkommen oder wo ein Temperaturgefälle besteht.
Ein einzelner Dehnungsmessstreifen mit Null -oder Modul - Kompensation des Temperatureffektes oder eine Messbrücke, die aus solch einzelnen kompensier- ten Dehnungsmessstreifen besteht, wird weniger Feh- ler als Folge von Temperaturänderungen aufweisen al ein Dehnungsmessstreifen oder eine Brücke, deren Kompensationseinrichtung entlegen oder in einem gewissen Abstand von dem oder den Messdehnungs- messstreifen angeordnet ist.
Bei der Messung von Lasten, Drücken oder Drehmomenten mittels Dehnungen ist es nahezu immer wünschenswert, dass die Messungen unab hängig von der Temperatur sind. Um dort eine Kompensation zu erzielen, war es bisher erforderlich, einen temperaturempfindlichen Widerstand zur Modulkompensation zu benutzen, welcher einer bestimmten Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur unterworfen ist. Zur Durchfüh- rung der Kompensation wurde dieser Widerstand in Reihe mit der Stromquelle der Dehnungsmessstreifenmessbrücke geschaltet.
Mit den Moduls kompensierten Dehnungsmessstreifen können nicht nur dieselben Ergebnisse erzielt werden, sondern es werden auch grössere Brückendiagonalspannungen bzw. grössere Genauigkeitsgrenzen erhalten, und zwar dadurch, dass der Verlust an Ausgangsspannung, der bisher durch die modulkompensierenden Widerstände hervorgerufen wurde, vermieden wird.
Der modulkompensierte Dehnungsmessstreifen weist noch weitgehendere Vorteile auf, da er die Modulkompensation vollständig in einem einzigen isolierten Dehnungsmessstreifen bewerkstelligt. Es können also mehrere derartige Dehnungsmessstreifen zu einem Messkreis miteinander verbunden sein, wobei in jedem von ihnen die Modulkompensation selbst stattfindet ohne Rücksicht darauf, was in den anderen Dehnungsmessstreifen zur selben Zeit vorgeht. Dies ist z. B. von besonderer Wichtigkeit für das Anwendungsgebiet der Windtunnel-Stechwaagen, bei welchen starke und häufig wechselnde Tempe raturunterschiede zu grossen Temperaturdifferenzen an denjenigen Punkten führen, an welchen die verschiedenen zu einem einzigen Messkreis verbundenen Dehnungsmessstreifen angeordnet sind.
Die bisherigen Ausführungsformen versagen hier vollkommen.
Wenn auch bisher der Einfachheit halber immer auf die < Modulkompensation der Dehnungsmess- streifen verwiesen wurde, so ist doch die Erfindung nicht auf die Modulkompensation beschränkt.
Die Erfindung kann in Wirklichkeit überall da eingesetzt werden, wo von einem Dehnungsmessstrei- fen Gebrauch gemacht wird, um eine erzeugte Dehnung festzustellen, die auf bestimmte Weise eine Funktion der Temperatur ist, welcher der Dehnungsmessstreifen ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die Empfindlichkeit des Dehnungsmessstreifens der an gebrachten Dehnung gegenüber temperaturunabhän- gig gemacht werden, so dass es möglich ist, den Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls verschiedener Materialien zu messen.