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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung von physikalischen Größen, wie Kraft, Druck, Temperatur, Drehmoment oder Kombinationen davon. In dieser Messvorrichtung werden Deformationen einer Membran aus Metall, an der die zu messende Größe in irgendeiner Weise angreift, mittels deformationsbedingter Veränderungen ohmscher Widerstände elektrisch erfasst.
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Aus der
DE 195 27 687 A1 ist ein Sensor bekannt, der auf eine Messmembran aufgebrachte Dünnschichtwiderstände hat, die in Form von zwei Wheatstone'schen Brücken an solchen Orten der Messmembran angeordnet sind, dass zwei Widerstände einer Brücke im Bereich der Stauchung der belasteten Membran angeordnet sind, während die anderen Widerstände im Bereich der Dehnung der belasteten Membran angeordnet sind. Auf diese Weise sollen Veränderungen erkannt werden, die redundante Messbrückenanordnungen insgesamt beeinträchtigen, aber allein durch Vergleich der beiden Brücken nicht erkannt werden können, da sie beide Brücken gleichermaßen betreffen, wie z.B. Alterung, Materialermüdung, Korrosion etc..
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Ferner zeigt 9 eine herkömmliche Anordnung einer Wheatstone'schen Brücke, die mit einem zuschaltbaren Verstimmwiderstand ausgerüstet ist. Wird der bekannte Verstimmwiderstand zugeschaltet, lässt sich aus der Reaktion der Brücke auf diese Widerstandsänderung an einem ihrer Brückenwiderstände auf den Zustand der Brücke schließen, so dass Veränderungen der Brücke durch Alterung, Materialermüdung, Korrosion etc. erkannt werden können. Jedoch erfordert diese Anordnung einen Verstimmwiderstand, der in der Regel im Bereich des etwa tausendfachen der Brückenwiderstände liegt, deren Widerstand durch die Messaufgabe und den Aufbau z.B. als DMS vorgegeben ist. Hochohmige Widerstände sind teure Bauteile, wenn eine entsprechende Präzision und Lebensdauer erforderlich ist.
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Ferner ist aus der
DE 601 18 675 T2 ein Wheatstone-Brückensensor bekannt, der eine daran angeschlossene Aufbereitungselektronik enthält. Zwei Diagnoseschalter sind vorgesehen, um während Diagnosewellenphasen Verbindungen ein und auszuschalten, um die Aufbereitungselektronik zu testen.
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Aus der
DE 10 2005 024 020 A1 ist ein Gerät mit einer Messverstärkerschaltung mit integrierter Kalibrierungsschaltung bekannt. Mittels Operationsverstärkern wird ein Spannungsabfall der Eingangsklemmenspannungen bestimmt. Mit diesem Verfahren kann die Dehnmessschaltung kalibriert werden.
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Die
DE 101 20 982 A1 weist einen schaltbaren Kalibrierwiderstand parallel zu einem Expansionswiderstand in einem Messkanal auf. Ein damit erzeugtes Kalibrierungssignal kann als Messsignal erfasst werden.
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In der
DE 43 23 380 A1 ist ein Schaltkreis zur Erkennung von Fehlern in Widerstandsmessbrücken vorgeschlagen.
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Schließlich ist aus der
DE 10 2006 007 463 B3 eine Messbrücke bekannt, die zwei Brückenelemente hat, die punktsymmetrisch auf einem Substrat angeordnet sind. Ein Verfahren und ein Element zum Ausgleichen der Messbrücke sind beschrieben.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung vorzuschlagen, die mit einfachen Mitteln zuverlässig eine hohe Messgenauigkeit liefert.
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Diese Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe hat mindestens eine Wheatstone'schen Brücke in der mindestens ein Brückenwiderstand mindesten einen deformationsempfindlichen ohmschen Messwiderstand enthält, der entsprechend einer Deformation ein elektrisch auswertbares Signal erzeugt.
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Eine Wheatstone'sche Brücke hat zwei Spannungsteiler mit jeweils zwei Brückenwiderständen -also vier Brückenwiderstände-, die zu einer H-Schaltung oder Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, wobei eine an die beiden Spannungsteiler am mittleren Abgriff angeschlossene Leitung als Brückenzweig bezeichnet wird. Der Ausdruck Brückenwiderstand bezeichnet in diesem Text und in den Ansprüchen ein solches Widerstandselement des Spannungsteilers zwischen zwei Abgriffen.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung hat ferner eine Auswerteeinheit, die mit der Wheatstone'schen Brücke verbunden ist. Ein Verstimmwiderstand ist zu mindestens einem Widerstand (ein Brückenwiderstand kann mehrere Widerstände enthalten) in der Wheatstone'schen Brücke mittel- oder unmittelbar parallel wahlweise zuschaltbar. Erfindungsgemäß ist ferner ein deformationsunempfindlicher Widerstand vorgesehen, der mit dem deformationsempfindlichen Messwiderstand in dem Brückenwiderstand in Reihe geschaltet ist.
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Der deformationsunempfindliche Widerstand und der zuschaltbare Verstimmwiderstand können niederohmig sein, d.h. im Bereich von etwa 20 bis 200 Ohm liegen. Diese Bauteile sind langzeit- und temperaturstabil, preiswert und als handelsübliche Standartbauteile auch schon mit hoher Genauigkeit erhältlich.
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Zudem wurde gefunden, dass die erfindungsgemäße Messvorrichtung gegen ungewollte Einflüsse unempfindlicher ist, z.B. Rauschen oder Schmutz, der sich zwischen den Abgriffen oder Kontaktpunkten auf Oberflächen der Messvorrichtung ablagern kann und ungewollte Strompfade bildet, sowie Temperaturänderungen.
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Vorzugsweise sind in der Messvorrichtung mindestens zwei Brückenwiderstände einer Wheatstone'schen Brücke jeweils von zwei in Reihe geschalteten Widerständen gebildet, zwischen denen ein elektrischer Anschluss vorgesehen ist, an den der Verstimmwiderstand angelegt werden kann. Auf diese Weise kann man den Nullpunkt der Brückenspannung verstimmen.
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Praktisch ist es, wenn der Verstimmwiderstand über einen Schalter mit der Wheatstone'schen Brücke verbunden ist, so dass eine einfache Verstimmung der Brücke möglich ist.
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Die Messvorrichtung kann mehrere deformationsempfindliche ohmsche Messwiderstände haben, die zur Bildung von mindestens zwei Wheatstone'schen Vollbrücken miteinander verschaltet sind, wobei es ausreicht, wenn mindestens ein Widerstand einer der Brücken mit dem Verstimmwiderstand beschaltet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann eine Membran haben, die entsprechend einer zu messenden Größe deformierbar ist. Je nach Gestaltung und Einsatz der Membran können Biegekräfte, Zugkräfte, Druckkräfte, Drehmomente oder auch Wärmedehnungen, die unterschiedliche, zu messende Ursachen haben können, auf die Membran einwirken. Die zu messende Größe kann somit direkte oder indirekte Ursache für die Deformation der Membran sein, so dass ein Zusammenhang zwischen der Deformation der Membran und deren Ursache (d.h. der zu messenden Größe) besteht und den Rückschluss auf die zu messende Größe zulässt.
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Vorzugsweise sind die deformationsempfindlichen ohmschen Messwiderstände in Metalldünnschichttechnik auf der Membran ausgebildet und verändern entsprechend der Deformation der Membran ihren Wert. Solche Widerstände, deren Widerstand sich mit einer Deformation ändert, werden in Form von Dehnungsmessstreifen DMS verbreitet verwendet. In Metalldünnschichttechnik auf der Membran ausgebildete Widerstände sind verfahrensbedingt sehr fest mit der Membran auf quasi atomarer Ebene mit dem Metall verbunden. Kriecheffekte etc., die in der Trennung der Widerstände von dem (Metall)träger ihre Ursache haben können, sind dadurch sicher vermieden.
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Eine zweckmäßige Anbindung der Messvorrichtung an ihre externe Schaltung ergibt sich, wenn vorzugsweise jede Wheatston'sche Brücke mit vier oder fünf elektrischen Anschlussflächen auf der Membran zum Anschluss einer Auswerteeinheit versehen ist. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie sich anhand des Signals der verstimmten Brücke selbst überprüfen kann.
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Bei der Anordnung mehrerer Wheatstone'scher Brücken ist es vorteilhaft, wenn die Widerstände jeder Brücke jeweils paarweise im rechten Winkel zueinander angeordnet sind und die einzelnen Brücken relativ zueinander verschieden ausgerichtet angeordnet sind. Wenn die Brücken relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, sind zueinander senkrechte Deformationen grundsätzlich unmittelbar erfassbar. Wenn zwei Brücken vorgesehen sind, die relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, gilt diese Überlegung für im 45°- Winkel gerichtete Deformationen.
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Wie bereits zuvor erwähnt können in den oben ausgeführten Schaltungen niederohmige Standardwiderstände eingesetzt werden, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie temperaturstabil, unempfindlich gegen Rauschen und unempfindlich gegen Verschmutzungen, bzw. parasitäre Einflüsse sind.
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In der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist also auch für hochohmige Messwiderstände ein Prüfsprung, also eine gezielte Verstimmung, mit stabilen, niederohmigen Widerständen möglich.
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In vorteilhafter Ausgestaltung können auch mehr als zwei Brücken vorgesehen sein, so können bspw. zwei Brücken relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sein und eine weitere Brücke ist gegenüber den beiden zueinander senkrecht angeordneten Brücken um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung von Brücken, in der zwei Brückenpaare vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnete Brücken haben, wobei die beiden Brückenpaare relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind. Die Erfassung der Deformationen kann damit entsprechend erfolgen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements;
- 2 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements;
- 3 eine mit der Erfindung verwendbare Wheatstone'sche Brückenschaltung;
- 4 eine mit der Erfindung verwendbare externe Beschaltung der Brückenschaltung aus 3;
- 5 eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement;
- 6 eine weitere mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement;
- 7 noch eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement;
- 8 eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von drei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; und
- 9 eine Wheatstone'sche Brückenschaltung nach dem Stand der Technik mit Verstimmwiderstand.
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1 zeigt ein Sensorelement 10 im Schnitt, das in einen Metallkörper 2 eingebaut ist. Das Sensorelement 10 hat einen topfförmig ausgebildeten Metallträger 1 mit einer Membran und einer Eindrehung E an seinem Umfang, so dass ein Flanschabschnitt 3 gebildet ist, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem Metallkörper 2 verbunden ist. Der deformierbare Metallkörper 2 hat eine im Wesentlichen laschenförmige Gestalt, die in dieser schematischen Schnittansicht nicht gezeigt ist, in die eine Bohrung eingebracht ist, in die das Sensorelement 10 eingesetzt ist. Die Materialstärke oder Blechdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 ist in der Darstellung der 1 mit t bezeichnet und liegt im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm. Der topfförmige Metallträger 1 des Sensorelements 10 hat den erwähnten Flansch 3 ausgebildet, dessen axiale Dicke in etwa der Materialstärke t des deformierbaren Metallkörpers 2 entspricht. Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, ist die Schweißnaht 4 so angebracht, dass sie das gesamte Material des Metallkörpers 2 in dessen Dickenrichtung durchdringt. Die Eindrehung E gewährleistet dabei, dass die beim Schweißen mittels Laserstrahl entwickelte Wärme sich in dem Metallträger 1 nicht nennenswert fortsetzt, so dass die Schweißnaht 4 räumlich und thermisch von der Sensorik 5 (nicht gezeigt) des Sensorelements 10 getrennt ist, die auf der in 1 linken Deckelfläche des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Zuglasche gestaltet und beschrieben; diese könnte aber auch gleichermaßen ein anderes Messsystemelement sein, wie z.B. eine Messachse oder dergleichen.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, die in 2 gezeigt ist, ist in einen Metallkörper 2 ein Sensorelement 10 eingesetzt, das ebenfalls einen Flansch 3 ausgebildet hat, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem umgebenden Metallkörper 2 verbunden ist. Im Unterschied zu der Gestaltung gemäß 1 ist hier der Flansch 3 als sich radial erstreckender Abschnitt eines topfförmigen Metallträgers 1 des Sensorelements 10 ausgebildet. Ähnlich der Ausführungsform in 1 ist auch hier die Materialdicke des Flanschs 3 der Materialdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 angepasst, so dass beide in etwa die Materialstärke t haben. Auch in diesem Beispiel kann die Materialstärke t zwischen 0,2 und 1,2 mm liegen. In 2 ist ferner die Sensorik 5 des Sensorelements 1 angedeutet, die auf der in 2 linken Seite auf der Deckelfläche des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht ist. Die Deckelfläche mit der Sensorik 5 ist im Abstand h von der zugewandten Oberfläche des Metallkörpers 2 bzw. der zugewandten Oberfläche des Flanschabschnitts 3 des Metallträgers 1 angeordnet. Dieser Abstand h ist so gewählt, dass sowohl der Anbau von Auswerteelektronik als auch die Hebelverhältnisse für die Erfassung der Deformationen des deformierbaren Metallkörpers 2 optimiert sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Schweißnaht 4 in Dickenrichtung vollständig durch den Metallkörper 2.
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In 3 ist eine Anordnung deformationsempfindlicher und deformationsunempfindlicher ohmscher Widerstände in Wheatstone'scher Brückenschaltung gezeigt, die als Sensorik 5 auf dem Metallträger 1 des Sensorelements 10 in Dünnschichttechnik ausgebildet sind. Es ist zu erwähnen, dass diese Brückenschaltungen auch mehrfach auf demselben Sensorelement und in verschiedenen Ausrichtungen zueinander ausgebildet sein können, wie später unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 näher erläutert wird.
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3 zeigt eine Wheatstone'sche Brücke mit insgesamt sechs Widerständen A, B, C, D, E, F. Die Widerstände A und B sind rechtwinklig zueinander angebracht, während die Widerstandsgruppen D, E und C, F ebenfalls rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Um die quadratische Anordnung zu erreichen, ist die Widerstandsgruppe D, E parallel zum Widerstand B angeordnet und die Widerstandsgruppe C, F ist parallel zum Widerstand A angeordnet. Die in 3 gezeigten weiteren Widerstände G, H dienen der Temperaturkompensation. In bekannter Weise sind die gezeigten Widerstände A bis H mit Anschlusspunkten 11, 12, 13, 14, 15, 16 verbunden. Die Abgriffe 12 und 14 sind zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen D, E beziehungsweise C, F angeordnet. Die Brückenspannung wird zwischen den Kontakten 13 und 16 abgegriffen, während die Anschlussflächen 12 und 14 dazu verwendet werden, die Brücke zu verstimmen. Mindestens einer der Widerstände C oder D ist ein deformationsempfindlicher ohmscher Messwiderstand, während die Widerstände E bzw. F deformationsunempfindliche ohmsche Widerstände sind, die mit ihrem zugeordneten Widerstand D bzw. C zur Bildung des jeweiligen Brückenwiderstands in Reihe geschaltet sind.
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4 zeigt die Beschaltung der auf der linken Seite der 4 gezeigten Wheatstone'schen Brückenschaltung gemäß 3, die bereits im Einzelnen erläutert wurde. Die Brückenschaltung jenseits der strichpunktierten Linie ist auf dem Sensor angebracht, während rechts dieser strichpunktierten Linie in 4 die externe Schaltung schematisch wiedergegeben ist. Zusätzlich zu den zuvor genannten Widerständen A bis H sind die Widerstände J, I und K vorgesehen. K ist ein verstellbarer Widerstand oder Verstimmwiderstand. Die Widerstände I und J sind in Reihe zueinander und parallel zu den Widerständen E und F geschaltet. Zwischen den beiden Widerständen I und J ist ein Abgriff 12' vorgesehen, der über einen Schalter a mit dem einen Ende des Widerstands K verbindbar ist, der an seinem anderen Ende mit dem Anschlusspunkt 12 bzw. dem Widerstand I verbunden ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch den Schalter a die Parallelschaltung der Widerstände I und K in Reihe mit dem Widerstand J unterbrochen oder ausgeschaltet werden, so dass nur noch die Widerstände I und J in Reihe miteinander und parallel mit den Widerständen E und F verschaltet sind. Diese als gezielte Verstimmung der Brücke bezeichnete Maßnahme kann in Zusammenarbeit mit einer geeigneten Auswerteeinheit nunmehr dazu verwendet werden, die Antwort einzelner Komponenten auf diese Signaländerung dahingehend auszuwerten, dass ein ordnungsgemäßer Funktionszustand oder eine Fehlfunktion dieser Bauteile ermittelt werden kann. Anders ausgedrückt, durch diese gezielt verstimmbare Brücke ist es möglich, unabhängig von der Änderung der Widerstände in der Brücke selbst, die Funktionsfähigkeit der Auswerteeinheit zu prüfen. Selbst wenn eine fehlerhafte Messung seitens der Brücke vorläge, so ist doch der Unterschied des Signals bei unverstimmter und verstimmter Brücke ein hinreichend genau festgelegter Signalwert, der diese Analyse der Auswerteelektronik gestattet. Zudem kann dann aus dem Prüfungsergebnis auf den Zustand der Messbrücke geschlossen werden.
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Zusätzlich zu den obigen Ausführungen ist hier darauf hinzuweisen, dass weitere Widerstände in der Brücke oder auch in der Auswerteeinheit vorgesehen werden können, die dann Funktionen übernehmen können wie Temperaturkompensation oder dergleichen. So sind zum Beispiel die Widerstände E und F Abgleichwiderstände, die mittels Lasertrimmung zum Abgleich der Brücke fest eingestellt werden können. Die in den Versorgungsteil der Brücke eingeschalteten Widerstände G und H bilden Kompensationswiderstände für den Temperaturgang des E-Moduls, d. h. sie dienen der Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Sensors.
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Insbesondere können die Widerstände E, F, I, J und/oder K niederohmige Widerstände (etwa 20 bis 200 Ohm) sein, während die Widerstände A, B, C und/oder D hochohmige Messwiderstände sein können. Bei einer Viertelbrücke ist nur einer der Brückenwiderstände deformationsempfindlich; bei einer Halbbrücke sind zwei Brückenwiderstände deformationsempfindlich und bei einer Vollbrücke sind alle vier Brückenwiderstände deformationsempfindlich.
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Die 5, 6, 7 und 8 zeigen jeweils schematisierte Draufsichten auf die Deckelfläche eines Sensorelements mit darauf aufgebrachten Widerständen. Sie zeigen lediglich die prinzipielle Anordnung und Orientierung der Brückenwiderstände innerhalb der einzelnen Brücken. Die Widerstände einer Gruppe sind jeweils mit A, B, C, D, A', B', C', D' oder A'', B'', C'' bzw. D'' bezeichnet. Selbstverständlich können alle diese Brücken entsprechend den obigen Ausführungen zu 3 und 4 gestaltet sein und folglich auch deren sämtliche Widerstände bzw. eine entsprechend gestaltete Auswerteeinheit sowie passende Anschlussmimik haben. Die Widerstände sind in Dünnfilmtechnik aufgebracht und mittels Glasisolation vom Trägermaterial (Metallträger) isoliert.
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In 5 ist eine sogenannte x- und y-Richtungsanordnung der Brücken gezeigt, d. h. die einzelnen Widerstandspaare AC, A'C'; BD, B'D' der jeweiligen Brücke stehen senkrecht zueinander, wobei jeweils zwei Brückenpaare AC, A' C'; BD, B' D' von zwei Brücken zueinander parallel angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich Deformationen oder Komponenten davon entsprechend ihrer um 90° zueinander versetzten Richtung unmittelbar messen.
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In der 6 ist eine Anordnung getroffen, in der die Brückenwiderstände A, B, C, D der linken Brücke genauso angeordnet sind, wie die Widerstände A, B, C, D in der linken Brücke in 5. In der rechten Brücke der 6 sind die Widerstände A', B', C', D' zwar zueinander im rechten Winkel, jedoch bezüglich der Widerstandspaare AC, BD der ersten Brücke im 45 Grad Winkel angeordnet. Auf diese Weise misst die eine Brücke in x- und y-Richtung, während die andere Brücke Deformationen in der dazu um jeweils um 45 Grad versetzten Richtung unmittelbar misst.
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In der 7 sind wiederum gleichartige Brücken mit zueinander senkrechten Paaren AC, BD, A'C', B'D' von Widerständen ausgebildet, diese sind aber zur x-y-Richtung des Sensors alle um 45 Grad versetzt angeordnet, d. h. die Widerstände A und B sind parallel zu den Widerständen D' und C' angeordnet und die Widerstände A', B' sind parallel zu den Widerständen C und D angeordnet. Dies ermöglicht eine redundante Messung in den Richtungen 45 Grad relativ zu x und y.
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Schließlich bietet die 8 eine weitere Modifikation mit einer dritten Wheatstone'schen Brücke, die, ausgehend von der Gestalt in 7, zwischen die mit 45 Grad zu den Hauptachsen x, y angeordneten Brücken senkrecht in x-y-Richtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine redundante Messung von 45 Grad bezüglich der x-y-Richtung und eine zusätzliche Messung in x- und y-Richtung möglich.
