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.
Method for measuring strain using electrical resistance strain gauges
The invention relates to a method for measuring strain by means of electrical resistance strain gauges and a strain gauge for carrying out the method.
It has long been known that in some measuring instruments the measuring accuracy or the measuring result depends on the temperature of the measuring device. In some cases, an increase in temperature is accompanied by an increase in the measurement result, in other cases the measurement result is reduced when the temperature increases.
It is the designer's job to take into account the relationship between the measurement accuracy and the temperature to which the measuring mechanism is exposed. In the field of electrical resistance strain gauge measurement, the influence of temperature has so far mostly been taken into account by inserting a temperature-dependent resistor as a Mē bridge correction element into the power supply circuit of the bridge.
However, this resulted in a considerable limitation of the application range of the strain gauge measurement method, because the temperature on the correction strain gauge can be quite different from that on the measurement strain gauge in the case of objects that are exposed to a temperature gradient.
It has already been proposed to compensate for the temperature influences within the individual measuring element itself by connecting two wires in series made of materials with different temperature behavior, which are adjusted accordingly with regard to their length. In many cases this not only resulted in a simplification in the use of the measuring element, but measuring tasks could also be solved in which a plurality of measuring elements are used for a single measurement, with the differences between them and each measuring element itself Temperatures, the desired correction was automatically applied independently of one another.
Measurement inaccuracies also arise from the fact that, in almost all elastic materials, the strain as a function of stress (or Young's modulus of elasticity) is temperature-dependent within a certain range. It. For example, the balance manufacturer knows that an exact weighing cannot be achieved with a spring balance, unless special aids are used to reduce or correct the mentioned effect. In the area of strain gauge measurements, the same conditions apply as when measuring with a spring balance, because the strain gauge also measures the expansion of a spring depending on the respective load.
In the method for measuring strain according to the invention, this object is achieved in that a measuring element consisting of several resistance parts is used, the individual resistance parts of which are selected with regard to material and dimensions in such a way that temperature-related changes in the modulus of elasticity! s of the test body can be compensated for by the temperature dependence of the overall characteristic of the electrical resistance as a function of the expansion of the measuring strip.
The strain gauge according to the invention is characterized in that its measuring element consists of several resistance parts made of different materials, which are selected with regard to their temperature dependency so that at least temperature-related changes in the modulus of elasticity of the test body are caused by the temperature dependence of the total resistance of the measuring element be balanced.
Several embodiments and advantageous uses of the expansion strip according to the invention are explained below purely by way of example with reference to the accompanying drawings.
1 shows the principle of the invention in the form of a diagram.
FIG. 2 shows a load measuring device from which the meaning of the curves according to FIG. 1 emerges.
3 shows a strain gauge with compensation for the modulus of elasticity.
4 shows the known measuring bridge using the compensated strain gauges.
Fig. 5 shows a module-compensated strain gauge, which is constructed from components connected in parallel, while
6 shows one with components connected in series.
7 shows a strain gauge which has both a compensation for the temperature coefficient and a compensation for the modulus of elasticity.
The modulus of elasticity (Young's modulus) of practically all materials depends on the temperature. For the practically used metals such. B. steel and aluminum, the change of the modulus of elasticity is in the limit of about 4% per 100¯ temperature change, with the modulus of elasticity falling with increasing temperature. There is. Some notable exceptions to this rule, namely special alloys (e.g. Elinvar and Ni-Span-C), which are composed in such a way that they have a relatively temperature-constant modulus of elasticity.
Some alloys show an increasing elastic modulus with increasing temperature. Such alloys are used individually or in combination in instruments in order to achieve that the accuracy or the sensitivity of the instrument is independent of the temperature.
The measuring strip factor or the strain sensitivity of a wire is understood to be the ratio of the relative change in resistance to the relative change in length.
This strain sensitivity is also a function of temperature for many wire materials used in bonded and non-flattened resistance strain gauges, since different alloys have different temperature effects. For example, the stretch sensitivity of constantan wire is relatively constant over the normal operating range, while other alloys have a stretch sensitivity that increases with increasing temperature, for example the stretch sensitivity of Jelliff alloy 1000, which is manufactured by C. O. Jelliff Mfg.
Corp. in Southport, Conn. is produced approximately by the amount of 4 to 6 "/ & per 100" C. Other alloy wires have a stretch sensitivity that decreases with increasing temperature, e.g. B. ¸Kanthal¯ (registered trademark) DR, which is owned by Kanthal Corp. in Stanford, Conn. or Iso-Elastic available from John Chattillon & Sons, New York, N.Y. and 479 Platinum Alloy available from Sigmund Cohn Corp. in Mt. Vernon, N.Y.
A strain gauge made from constantan wire approximately measures the true strain independently of the temperature, but shows an increase in the display if it is stuck to a permanently loaded test specimen that is subject to a change in the modulus of elasticity of its material as a function of an increase in temperature . In contrast to this, a measuring body made of the aforementioned alloy, which has a sensitivity to stretching that increases with increasing temperature, shows a decrease in the display with an increase in temperature, since its sensitivity to stretching decreases more than the modulus of elasticity of the test body material with this temperature increase.
Fig. 1 shows the relationships in a diagram. The curves according to FIG. 1 show the electrical output voltage U as a function of the elongation in the case of the strain gauge 1 according to FIG. 2, which is cemented to the metal bending rod 2, for example, for measuring the elongation, which is loaded by the weight 3. The output voltage was determined by attaching and removing the weight 3 at different temperatures t, resulting in the curves shown in FIG. 1.
If the strain gauge 1 is made of constant wire, then the bridge output voltage gives the curve 18, if it consists of the alloy that has a strain sensitivity that increases with increasing temperature, then the curve 19 is determined as the output voltage as a function of the temperature.
The difference between the expansion as a result of the thermal expansion coefficient of a measuring element, for example the strain gauge 2 in FIG. 2, and the expansion due to a load 3, which for the sake of simplicity should be thought of as generated at a constant temperature, should be pointed out here is. Both phenomena have nothing to do with each other, but are easily confused, since the strain gauge 1 (Fig. 2) itself, to a certain extent, shows both.
The earlier types of compensated strain gauges could be made insensitive to the thermal expansion of the beam 2; but that would not prevent their dependence on the applied load, as shown by the upper curve in FIG. 1 for the case in which the strain gauge consists of constantan wire. The invention is concerned with the latter stretching effect. When reference is made to generated elongation or generated, tension, in the following an expansion or tension is understood as the result of a load or force acting on e in the structural part.
The strain gauge 4 according to FIG. 3 has a combination of a constantan wire 5 and a wire 6 of the alloy mentioned, which has a strain sensitivity that increases with increasing temperature. Such a strain gauge can be constructed by a suitable choice of the ratio of the constantan wire to the wire of the said alloy, so that its change in strain sensitivity as a function of the temperature can assume any predetermined value between two extreme values which are determined by the characteristics of each individual wire.
By appropriately choosing the ratio between the dimensions of two wires of a strain gauge, the change in sensitivity as a function of the temperature can be determined in such a way that it equals the change in the modulus of elasticity as a function of the temperature of the material of the test body to which the strain gauge is stuck or is attached. Such a strain gauge to compensate for the modulus of elasticity can therefore measure the tension or load independently of the temperature of the relevant limb.
An elastic modulus-compensated strain gauge is not only useful for measuring strain itself, but can also be used to display pressure, load, torque or other physical quantities.
The design of elastic modulus-compensated strain gauges is not limited to the two alloys mentioned, but they are particularly suitable, since the strain sensitivity of constantan wire is constant with great accuracy within a larger temperature range and the other alloy is strain sensitivity which decreases in this area. Other alloys also show more or less changes in strain sensitivity as a function of temperature.
Most of the measuring devices for the use of strain gauges, for example load and pressure cells, use four strain strips connected to one another to form a Wheatstone bridge. In order to make the diagonal tension of such a bridge independent of temperature under a given condition, it is not necessary to carry out a modulus of elasticity compensation for each individual strain gauge.
For example, the module compensation of the bridge can be implemented by making two strain gauges 7 from one wire and two such 8 from another wire, if they are combined to form a bridge, as shown in FIG. 4, and the calibration can be carried out by adding trimmer resistors 9, 9 ', 9 ", 9"' is achieved.
The two wires do not necessarily have to be connected to a single strain gauge, but can also be implemented structurally in the form of independent strain gauges 10 and 11 (FIGS. 5 and 6) if these, according to FIGS. 5, are connected in parallel or, according to FIG. 6, in series, so that in reality they take on the function of a single strain gauge. In each case the relative wire length is different and should be chosen in such a way that the desired result is obtained in accordance with the principles described above.
This is the case, for example, in the embodiment according to FIG. 3.
The invention is not limited to the embodiment described above, in which a compensation of the temperature effect is effected by the modulus of elasticity effect of a test body whose pre-generated elongation is to be measured. The invention can be used wherever the relationship between the output voltage of the strain gauge and the strain generated is temperature-dependent. For example, the change in Young's modulus of elasticity of a test specimen can be measured or compensated for with the aid of the improved strain gauge according to the invention. In this case, the strain gauge is designed so that its temperature dependence is zero.
The mē display then corresponds directly to the desired measurement result, i. H. the thermal coefficient of the modulus of elasticity for the material concerned.
By combining the above-described device for module compensation with the known device for temperature compensation of strain gauges, it is possible to compensate for the temperature effect both to zero and to c <module. The last-mentioned device is known to have a strain gauge with two wires made of different materials connected in series.
The length ratio of the two wires is set in such a way that the increase in resistance with temperature as a consequence of both thermal expansion and the change in resistance of one resistance material is compensated for by a corresponding decrease in resistance in the other. One wire must have a positive and the other a negative temperature coefficient. The temperature effect au ± zero is understood here to mean the influence of the temperature in the event of no elongation being generated, with the elongation generated by the definition given above applying to the bending grip.
A wire strain gauge with combined temperature and module compensation can be made up of two, three or more appropriately selected wires, as shown in FIG. 7.
In this case, the wire 12 consists of a material with a negative temperature coefficient, while the wires 13 and 14 consist of appropriately selected constants, both having similar temperature sensitivity coefficients but different temperature resistance coefficients. The change in the modulus of elasticity in the event of temperature changes can be compensated for by selecting the ratio of the dimensions of the resistors 12, 13 and 14 accordingly. By changing the ratio of wire 14 to wire 13, it is possible to compensate for the change in the zero display of the device at different temperatures.
While it is of course also possible, as shown in FIG. 3, to find two wires 5 and 6 which have the necessary characteristics to realize both zero and elastic modulus compensation, it is, however, much more practical to use wires 13 and 14 to be chosen so that the one has a relatively high negative and the other has a relatively high positive resistance coefficient and to compensate them in such a way that they make the temperature coefficient of the wire 12 disappear.
If wire 12 has either a high negative coefficient of resistance or a high positive coefficient of resistance, then wires 13 and 14 may both have a resistance coefficient of the same sign but different magnitude, the coefficient of both being the opposite of that of wire 12. One of the two wires 13 or 14 can have an extremely high temperature coefficient of resistance, for example made of nickel or copper, and yet the overall effect can be so small that it is negligible with regard to the stretching sensitivity of the entire device.
The strain gauges shown in FIGS. 3-7 are of the known, glued design, in which an insulated base 15, for example paper, is used, to which the wires are attached over their entire effective length with the aid of a conventional adhesive will. The adhesive areas 16 are shown dotted in the figures. The field of application of the invention naturally also extends to non-live strain gauges.
The glued strain gauges do not need to be attached directly to the link whose elongation is to be measured, but can also be glued to an auxiliary link; they can also be used to measure the movement between two separate objects. The above also applies to the unglued resistance strain gauges.
Glued resistance strain gauges which are set up for combined module and temperature compensation, as well as strain gauges which are set up for module compensation alone, can also be used useful in places where there are strong temperature changes or where there is a temperature gradient.
A single strain gauge with zero or module compensation of the temperature effect or a measuring bridge that consists of such individual compensated strain gauges will have fewer errors as a result of temperature changes than a strain gauge or a bridge whose compensation device is remote or to a certain extent Is arranged at a distance from the measuring strain gauges.
When measuring loads, pressures or torques by means of strains, it is almost always desirable that the measurements are independent of the temperature. In order to achieve compensation there, it was previously necessary to use a temperature-sensitive resistor for module compensation, which resistor is subject to a certain change in resistance as a function of the temperature. To carry out the compensation, this resistor was connected in series with the current source of the strain gauge bridge.
With the module-compensated strain gauges, not only can the same results be achieved, but larger bridge diagonal voltages or greater accuracy limits are obtained, namely by avoiding the loss of output voltage that was previously caused by the module-compensating resistors.
The module-compensated strain gauge has even more extensive advantages, since it accomplishes the module compensation completely in a single isolated strain gauge. Several such strain gauges can therefore be connected to one another to form a measuring circuit, with the module compensation itself taking place in each of them regardless of what is going on in the other strain gauges at the same time. This is e.g. B. of particular importance for the field of application of the wind tunnel scales, in which strong and frequently changing temperature differences lead to large temperature differences at those points at which the various strain gauges connected to a single measuring circuit are arranged.
The previous embodiments fail here completely.
Even if, for the sake of simplicity, reference has always been made to the <module compensation of the strain gauges so far, the invention is not limited to module compensation.
In reality, the invention can be used wherever use is made of a strain gauge in order to determine a strain that has been generated, which in a certain way is a function of the temperature to which the strain gauge is exposed. For example, the sensitivity of the strain gauge to the applied strain can be made independent of temperature, so that it is possible to measure the temperature coefficient of the modulus of elasticity of various materials.