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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Wägezelle, insbesondere eine hochgenaue Wägezelle mit einer Kreisring-Plattenfeder bzw. eine Wägezelle nach dem Pendelstützen- oder Stauchstabprinzip.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Bei bestimmten Wägezellen wird zur Abdichtung eines Innenraums, in dem die empfindlichen Dehnungsmessstreifen (DMS) aufgeklebt sind, eine Bodenmembran aus dünnem Blech eingeschweißt. Wenn man diese Membran als glattes, ebenes Blech ausführt, dann führt dies zu einem nichtlinearen Einfluss des äußeren Luftdrucks auf das Messsignal der Wägezelle. Da nur der Unterschied zwischen dem Luftdruck außerhalb der Wägezelle und innerhalb der Wägezelle relevant ist, wird der Einfluss des inneren Luftdrucks auf das Messsignal der Wägezelle nichtlinear. Dieser Effekt ist zunächst nicht störend, wird aber bei Erwärmung oder Abkühlung der Wägezelle nachteilig, weil dann auch der Luftdruck im Inneren entsprechend steigt oder fällt. Dadurch ergibt sich auch eine nichtlineare Temperaturabhängigkeit des Nullpunkts, d.h., dass das Messsignal der Wägezelle sich nichtlinear mit der Temperatur verändert. Das hat unmittelbare Auswirkungen auf die Genauigkeit der Messung. Da durch eine allgemein bekannte analoge Abgleich-Schaltung nur der lineare Anteil der Temperatur-Abhängigkeit des Nullpunkts kompensiert wird, kann diese Nichtlinearität nicht kompensiert werden. Bei kleinen Nennlasten der Wägezelle kann der Einfluss so stark sein, dass die Genauigkeitsanforderungen für den eichfähigen Einsatz (gemäß OIML R 60 zum Beispiel für die Genauigkeitsklasse C3) nicht erfüllt werden können.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene hochgenaue Dehnungsmessstreifen bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2013 113 173 A1 ein dünnes, plattenförmiges Dehnungselement zum Messen einer Last, die von einem zu messenden Gegenstand ausgeht.
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Weiterhin offenbart die
US 8 640 549 B2 ein Dehnungsmessstreifen, welcher aus einem dehnungsempfindlichem Element und einem Temperaturkompensationselement besteht, wobei das dehnungsempfindliche Element und das Temperaturkompensationselement monolithisch ausgebildet sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Wägezelle bereitzustellen, welche es ermöglicht, einen nichtlinearen Luftdruckeinfluss auf den Temperaturnullpunkt zu kompensieren.
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Entsprechend wird eine Wägezelle bereitgestellt, die nach einem beliebigen Messprinzip arbeiten kann, jedoch eine Wheatstone-Messbrücke aufweist und Dehnmessstreifen innerhalb der Wheatstone-Messbrücke verwendet. Die Wägezelle kann nach dem Pendelstützen- oder Stauchstabprinzip aufgebaut sein. Die Wägezelle kann insbesondere eine Kreisring-Plattenfeder aufweisen. Die Wheatstone-Messbrücke weist einen ersten Messknoten und einen zweiten Messknoten auf und wird wie folgt abgewandelt bzw. ergänzt. Der erste Messknoten wird aufgetrennt. Dadurch ergeben sich zwei Anschlussknoten, nämlich ein erster Anschlussknoten und ein zweiter Anschlussknoten. An diese Anschlussknoten wird eine Dreieckschaltung aus Widerständen gekoppelt. Die Dreieckschaltung umfasst drei Widerstände. Einen ersten Widerstand zwischen dem ersten Dreiecksknoten und dem zweiten Dreiecksknoten, einen zweiten Widerstand zwischen dem ersten Dreiecksknoten und dem dritten Dreiecksknoten und einen dritten Widerstand zwischen dem zweiten Dreiecksknoten und dem dritten Dreiecksknoten. Der erste Dreiecksknoten ist an den ersten Anschlussknoten und der zweite Dreiecksknoten ist an den zweiten Anschlussknoten gekoppelt. Der dritte Dreiecksknoten dient als neuer Messknoten der Wheatstone-Messbrücke.
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Vorteilhaft ist zunächst der erste Widerstand so konfiguriert bzw. aufgebaut, dass er eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist.
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Eine signifikante Temperaturabhängigkeit ist dann gegeben, wenn der Betrag des linearen Widerstandstemperaturkoeffizienten des für diesen Widerstand im Wesentlichen oder vollständig verwendeten Materials größer als 1 * 10-4, vorteilhaft größer als 1 * 10-3 pro Kelvin (K) ist. Widerstände, deren linearen Widerstandswerte dem Betrage nach kleiner sind als 1 * 10-4 pro Kelvin, gelten im vorliegenden Kontext als nicht signifikant.
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Ein Widerstand mit signifikanter Temperaturabhängigkeit wird vereinfachend auch als temperaturabhängiger Widerstand bezeichnet, während ein Widerstand mit nicht signifikanter Temperaturabhängigkeit als fester Widerstand bezeichnet wird.
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Vorteilhaft ist der lineare Widerstandstemperaturkoeffizient bei einer signifikanten Temperaturabhängigkeit positiv.
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Der erste Widerstand kann zum Teil oder im Wesentlichen oder vollständig aus Kupfer oder Nickel bestehen. Der erste Widerstand kann einen nominalen (bspw. bei 20°C) Widerstandswert von 0,1 Ohm bis 2 Ohm aufweisen.
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In einer ersten Variante ist der zweite Widerstand so ausgeführt, dass er auch eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist. Der dritte Widerstand ist dann so ausgeführt, dass er keine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist, also ein fester Widerstand ist. Fest betrifft lediglich die Temperaturabhängigkeit, die für einen festen Widerstand unterhalb der genannten Grenze liegt. Ansonsten werden auch die Widerstandswerte von festen Widerständen im vorliegenden Kontext verändert, um eine vollständige Kompensation des Luftdruck- und Temperatureinflusses zu erreichen.
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In einer zweiten Variante kann der zweite Widerstand so ausgeführt sein, dass er keine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist. Dann kann der dritte Widerstand eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweisen.
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Mit anderen Worten wird also entweder der zweite Widerstand oder der dritte Widerstand so ausgeführt, dass er eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist, wobei der jeweils andere Widerstand aus dem zweiten Widerstand und dem dritten Widerstand keine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist.
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Die Auswahl, welcher der beiden Widerstände, also ob der zweite Widerstand oder der dritte Widerstand temperaturabhängig ist, wird vorteilhaft in Abhängigkeit der zu kompensierenden Krümmung der Temperaturabhängigkeit gewählt. Vorteilhaft wird hierbei die Krümmung am Nullpunkt der Temperaturkurve berücksichtigt.
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In einem weiteren Schritt wird dann der jeweils andere Widerstand, also der zweite oder dritte Widerstand, als fester Widerstand (nicht signifikant temperaturabhängig) so angepasst, dass die lineare Temperaturkurve angepasst wird.
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Die nominalen (bspw. bei 20°C) Widerstandswerte für den zweiten und dritten Widerstand können im Bereich von 1 Ohm bis 100 Ohm, vorteilhaft von 5 Ohm bis 50 Ohm, liegen.
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Ein temperaturabhängiger Widerstand kann aus Folie, insbesondere Kupferfolie oder Nickelfolie, oder aus Draht, insbesondere Kupferdraht oder Nickeldraht, gebildet sein.
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Beispielsweise kann der erste Widerstand aus Folie bestehen und beispielsweise nach bestimmten vorgegebenen Geometrien belichtet und geätzt werden. Der zweite und der dritte Widerstand können dann entweder aus Draht gewickelt sein oder auch aus Folie nach einem Belichtungsverfahren mit bestimmten Geometrien geätzt werden.
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Wenn der temperaturabhängige Widerstand aus Kupferdraht aufgebaut ist, dann kann dieser eine Länge von 5 cm bis 50 cm aufweisen und einen Durchmesser von 0,05 mm bis 1 mm haben.
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Mit anderen Worten wird eine Wägezelle bereitgestellt, die zur Bestimmung eines Gewichts eine Messeinrichtung mit Messelementen umfasst. Die Messelemente können Dehnmessstreifen sein. Die Messelemente können gemäß einer Wheatstone-Messbrücke angeordnet und gekoppelt sein. Ein Messknoten der Wheatstone-Messbrücke wird dann durch eine Ergänzungsschaltung ersetzt, welche einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand und einen dritten Widerstand umfasst, die gemäß einer Dreieckschaltung verbunden sind. Der erste Widerstand liegt in einem ersten Zweig der Dreieckschaltung, der zweite Widerstand in einem zweiten Zweig der Dreieckschaltung und der dritte Widerstand in einem dritten Zweig der Dreieckschaltung. Entweder der zweite oder der dritte Widerstand ist ein temperaturabhängiger Widerstand mit einer signifikanten Temperaturabhängigkeit. Der andere (zweite oder dritte) Wiederstand ist ein fester Widerstand.
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Es wird ebenfalls ein Verfahren bereitgestellt, durch welches die Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes einer Wheatstone-Messbrücke in einer Wägezelle kompensiert wird, insbesondere auch der nichtlineare Anteil der Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes der Wheatstone-Messbrücke. In einem ersten Schritt wird dabei ein temperaturabhängiger Widerstand in einer Dreieckschaltung verwendet und angepasst. In einem weiteren Schritt wird ein fester Widerstand in der Dreieckschaltung angepasst. Wie zuvor beschrieben wird die Dreieckschaltung zu der Wheatstone-Messbrücke hinzugefügt.
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Als Ursache für die nichtlineare Temperaturabhängigkeit des Nullpunkts der Wheatstone-Messbrücke kommt ein Einfluss des Luftdrucks in Betracht, aber auch beispielsweise eine Verformung des Gehäuses bei Temperaturänderung. Diese nichtlinearen Einflüsse auf die Temperaturabhängigkeit des Nullpunkts können mit der Erfindung kompensiert werden.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung der analogen elektrischen Schaltung in einer Wägezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- - 2 zeigt ein vereinfachtes Diagramm von Temperaturkurven bzw. Verläufen des Nullpunktes der Messbrücke bezüglich der Kompensation eines nichtlinearen Luftdruckeinflusses und eines linearen Temperatureinflusses.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt eine vereinfachte Darstellung der analogen elektrischen Schaltung in einer Wägezelle 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Wägezelle 1 kann bspw. nach dem Pendelstützen- oder Stauchstabprinzip ausgeführt sein, das hier nicht weiter dargestellt ist. Die Wägezelle könnte auch nach einem anderen Prinzip aufgebaut sein. Es könnte sich um eine hochgenaue Wägezelle 1 mit einer eingeschweißten Kreisring-Plattenfeder handeln. Die Wägezelle 1 weist Messelemente, wie bspw. Dehnmessstreifen DMS1-DMS4 auf, die Teil einer Wheatstone-Messbrücke WM sind. Die Dehnmessstreifen DMS1-DMS4 bzw. die gesamte Wheatstone-Messbrücke WM befindet sich in einem hermetisch verschlossenen Raum.
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Die Wägezelle 1 weist einen nichtlinearen Verlauf des Nullpunktes NP (abgeglichener Zustand) der Wheatstone-Messbrücke in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Dieser nichtlineare Verlauf kann von einer Luftdruckdifferenz zwischen dem hermetisch verschlossenen Innenraum der Wägezelle 1, in der sich die Dehnmessstreifen DMS1-DMS4 befinden, und einem Luftdruck außerhalb dieses Innenraums bewirkt werden. Dieser nichtlineare Einfluss der Luftdruckdifferenz auf den Nullpunkt (Abgleich) der Wheatstone-Messbrücke wird durch die hier beschriebenen Maßnahmen kompensiert.
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Die Wägezelle 1 umfasst also eine Wheatstone-Messbrücke WM, die bspw. vier Dehnmessstreifen DMS1, DMS2, DMS3 und DMS4 umfasst. Diese sind in der üblichen Art auf die vier Zweige Z1, Z2, Z3 und Z4 der Wheatstone Messbrücke verteilt. Bei Belastung der Wägezelle 1 durch ein Gewicht, verformen sich die Dehnmessstreifen DMS1-DMS4. Entsprechend ändert sich die Länge L eines Dehnmessstreifens um einen Wert +ΔL oder -ΔL, was somit der Änderung der Länge eines Dehnmessstreifens DMS1 entspricht. Ob und wie sich die Länge eines Dehnmessstreifens DMS1-DMS4 verändert, hängt von den Eigenschaften der Wägezelle 1 ab und ist im vorliegenden Kontext nicht weiter relevant.
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Ferner sind weitere Widerstände RA und RB in den Zuleitungen für die Einspeisung vorgesehen. Entsprechend gibt es einen ersten, positiven Einspeisungsknoten SP+ und einen zweiten, negativen Einspeisungsknoten SP- bzw. entsprechende erste und zweite Versorgungsknoten VP und VN unmittelbar an den Zweigen der Messbrücke WM. Zwischen dem zweiten Zweig Z2 und dem dritten Zweig Z3 gibt es einen positiven (ersten) Messknoten MP' (nur gestrichelt) und zwischen dem ersten Zweig Z1 und dem vierten Zweig Z4 gibt es einen negativen (zweiten) Messknoten MN. Anstelle des positiven Messknotens MP' ist die Brücke hier aufgetrennt und es ergeben sich zwei neue Anschlussknoten, ein erster Anschlussknoten AN1 und ein zweiter Anschlussknoten AN2. An diese beiden Anschlussknoten AN1, AN2 ist eine Ergänzungsschaltung ES gekoppelt. Diese Ergänzungsschaltung ES ist als Dreieckschaltung ausgeführt. Die Dreieckschaltung ES umfasst die Widerstände R0, RX und RY. Die Dreieckschaltung weist einen ersten Dreiecksknoten DN1, einen zweiten Dreiecksknoten DN2 und einen dritten Dreiecksknoten DN3 auf. Der erste Widerstand R0 liegt im ersten Zweig DZ1 zwischen dem ersten Dreiecksknoten DN1 und dem zweiten Dreiecksknoten DN2. Der zweite Widerstand RX liegt im zweiten Zweig DZ2 zwischen dem ersten Dreiecksknoten DN1 und dem dritten Dreiecksknoten DN3. Der dritte Widerstand RY liegt im dritten Zweig DZ3 zwischen dem zweiten Dreiecksknoten DN2 und dem dritten Dreiecksknoten DN3. Der dritte Dreiecksknoten bildet den neuen positiven Messknoten MP.
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Der erste Widerstand R0 ist vorteilhaft ein temperaturabhängiger Widerstand im Sinne der vorliegenden Beschreibung. Sein nominaler Widerstandswert, bspw. bei 20°C, kann im Bereich von 0,01 Ohm bis 10 Ohm, vorteilhaft nur 0,1 Ohm bis 2 Ohm, liegen. Der erste Widerstand R0 kann ebenfalls aus Kupfer oder Nickel, insbesondere aus einer Folie oder einem Kupferdraht oder einem Nickeldraht, bestehen.
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2 zeigt ein vereinfachtes Diagramm verschiedener Verläufe einer nichtlinearen und linearen Temperaturkurve bzw. das Verhalten des Nullpunktes NP einer Wheatstone-Messbrücke in einer Wägezelle 1, die einem nichtlinearen Einfluss des Luftdrucks auf die Messung unterliegt, der gemäß der Erfindung kompensiert wird.
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Gemäß einem Aspekt wird die Wheatstone-Messbrücke - wie bereits erläutert - um eine Ergänzungsschaltung ES ergänzt, die nach Auftrennen der Wheatstone-Messbrücke an einem Messknoten MP, an die durch das Auftrennen entstehenden zwei neuen Anschlussknoten AN1, AN2 angekoppelt wird. Die Ergänzungsschaltung ES kann eine Dreieckschaltung sein, die drei Zweige DZ1, DZ2, DZ3 zwischen drei Knoten DN1, DN2, DN3 aufweist. In jedem der drei Zweige DZ1, DZ2, DZ3 befindet sich ein Widerstand. Der erste Widerstand R0 liegt im Zweig zwischen den beiden Anschlussknoten AN1 (DN1), AN2 (DN2). Der zweite Widerstand RX und der dritte Widerstand RY befinden sich jeweils zwischen einem Anschlussknoten AN1 (DN1) bzw. AN2 (DN2) und dem neuen Messknoten DN3.
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In einem ersten Schritt wird nun die nichtlineare Kurve A dadurch linearisiert, dass der zweite Widerstand RX oder der dritte Widerstand RY als temperaturabhängiger Widerstand im Sinne der vorliegenden Beschreibung implementiert wird. Außerdem wird diesem natürlich ein bestimmter Widerstandswert gegeben.
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Wenn die Kurve eine Krümmung gemäß der Kurve A hat, dann wird bspw. der Widerstand RX als temperaturabhängiger Widerstand und RY als fester Widerstand gewählt. Wenn die Krümmung der Kurve A' vorliegt, dann wird der Widerstand RY als temperaturabhängiger Widerstand gewählt und RX als fester Widerstand.
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Dadurch entsteht die lineare Kurve (Gerade) B. Diese wird im Anschluss daran durch Veränderung des anderen, festen (nicht temperaturabhängigen) Widerstands RX oder RY gedreht, so dass sich die Kurve C ergibt bzw. eine Kurve, die im Idealfall komplett auf der Abszisse (Nulllinie) liegt. Dann ist die Temperaturabhängigkeit der Wägezelle 1 bzw. der Wheatstone-Messbrücke vollständig kompensiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wägezelle
- WM
- Wheatstone-Messbrücke
- DMS1
- Dehnmessstreifen 1
- DMS2
- Dehnmessstreifen 2
- DMS3
- Dehnmessstreifen 3
- DMS4
- Dehnmessstreifen 4
- L
- Länge eines Dehnmessstreifen
- ΔL
- Änderung der Länge eines Dehnmessstreifen
- RA
- Vorwiderstand
- RB
- Vorwiderstand
- SP+
- Erster (positiver) Einspeisungsknoten
- SP-
- Zweiter (negativer) Einspeisungsknoten
- VP
- Erster (positiver) Versorgungsknoten
- VN
- Zweiter (negativer) Versorgungsknoten
- MP
- Erster (positiver) Messknoten
- MN
- Zweiter (negativer) Messknoten
- Z1
- Erster Zweig der Wheatstone-Messbrücke
- Z2
- Zweiter Zweig der Wheatstone-Messbrücke
- Z3
- Dritter Zweig der Wheatstone-Messbrücke
- Z4
- Vierter Zweig der Wheatstone-Messbrücke
- AN1
- Erster Anschlussknoten
- AN2
- Zweiter Anschlussknoten
- ES
- Ergänzungsschaltung
- DN1
- Erster Dreiecksknoten
- DN2
- Zweiter Dreiecksknoten
- DN3
- Dritter Dreiecksknoten
- DN4
- Vierter Dreiecksknoten
- DZ1
- Erster Zweig der Ergänzungsschaltung
- DZ2
- Zweiter Zweig der Ergänzungsschaltung
- DZ3
- Dritter Zweig der Ergänzungsschaltung
- DZ4
- Vierter Zweig der Ergänzungsschaltung
- R0
- Erster Widerstand der Ergänzungsschaltung
- RX
- Zweiter Widerstand der Ergänzungsschaltung
- RY
- Dritter Widerstand der Ergänzungsschaltung
- NP
- Nullpunkt (abgeglichener Punkt) der WM
- A
- Nichtlinearer Verlauf des Nullpunktes NP der WM
- A'
- Nichtlinearer Verlauf des Nullpunktes NP der WM
- B
- Linearer Verlauf des Nullpunktes NP der WM
- C
- Weitgehend kompensierter Verlauf des Nullpunktes NP der WM
