DE1573417A1 - Messwertaufnehmer - Google Patents
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Description
6.fsfc<rBsli»B· 3 Wrf« 25Mf 1 5 7 3 A 1
Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer mit an einem unter einer Kraftwirkung verformbaren Meßglied
angebrachten, zu einer elektrischen Meßbrücke geschalteten elektrischen Dehnungsmeßstreifen - vorzugsweise
Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen - und Mitteln zur Verminderung des Einflusses temperaturbedingter Änderungen
der Widerstände der Dehnungsmeßstreifen auf die NuIlpunktskonstanz
der Meßbrücke.
Die Widerstandswerte elektrischer Dehnungsmeßstreifen sind in der Regel in unterschiedlichem Maße abhängig von
der Temperatur. Bei aus mehreren Dehnungsmeßstreifen zusammengesetzten Meßbrücken tritt daher erfahrungsgemäßs
ein temperaturbedingter Meßfehler auf, der bei Meßwertaufnehmern, die hohen Anforderungen bezüglich der Meßqualität
genügen müssen, unerwünscht ist. Es sind daher verschiedene Maßnahmen bekanntgeworden, diesen temperaturbedingten
Fehlern zu begegnen. Beispielsweise wählt man fUr eine Meßbrücke Dehnungsmeßstreifen solchen Temperaturverhaltens
aus, dass sich die temperaturbedingten Fehler der einzelnen Dehnungsmeßstreifen in der MeßbrUokensohaltung
gegenseitig aufheben. Diese Maßnahme ist sehr zeitraubend und erfordert die kostspielige Lagerhaltung eines
grosser* Sortimentes von Dehnungsmeßstreifen. Eine ander·
Maßnahme besteht darin, den Dehnungsmeßstreifen bzw. der Meßbrücke Kompensatlonewideretänd· mit einem solchen Verlauf
ihres Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur
zuzubehalten, daaa der temperaturbedingte Fehler aufgehoben
wirJ. Auch hierfür ist eine zeitraubende und kostspielig·
AuBMahl aus ein·» grüseeren Sortiment von Kompensationswideratänden
erforderlich. Die geschilderten Naohteile Bind b·- Hondera eohwerwiegend bei Verwendung von Dehnungameßatreiftn
aus Halbleitermaterial, die wegen ihres guten Wirkungsgrad«
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Iraner mehr bevorzugt werden» die aber auch bei gleicher
Charakteristik, das heißt gleicher Fora ihrer Widerstands-Temperatur-Kennlinie im Betrag der teraperaturbedingten
Abweichung stark atreuen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde« einen Meßwertaufnehmer
zu schaffen, bei welchem die Temperaturfehler vermieden sind, ohne dass es einer aufwendigen
Auswahl von Dehnungsmeßstreifen oder sonstigen Widerständen naoh ihrem Temperaturverhalten bedarf..Diese Aufgabe
wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass bei Verwendung von Dehnungsmeßstreifen, deren elektrische
Widerstände sich bei im wesentlichen gleicher Charakteristik in unterschiedlichem Maße in Abhängigkeit von der Temperatur
ändern, zumindestena einem der Dehnungsmeßstreifen ein
erster Pestwiderstand in Reihe und ein zweiter Festwiderstand zu demselben oder einem anderen Dehnungsmeßstreifen
parallel geschaltet ist und die beiden Festwiderstände praktisch keine temperaturbedingten Änderungen ihres Widerstandswertes
erfahren und so bemessen sind, dass ohne Veränderung des Brttokengleiohgewiehtes der Einfluss der
temperaturbedingten Widerstandsänderungen auf die Nullpunkt skonstanz praktisch aufgehoben wird.
Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung sind
der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der in den Zeichnungen sohematisoh dargestellten AusfUhrungsbeisplele
und den Unteranaprliehen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 die Seitenansicht einer Xraftmeßvorrichtung, teilweise geschnitten dargestellt,
Fig. 2 eine Ansloht des Anschlusskasten 13 im Schnitt
geoMs« Linie 2-2 In Fig.l in vergrößerter Darstellung,
Fig. 3 ein typisahes Sohaubild der Wideratanda-Temptratur-
<^; Ktnnlinien der in der Kraftmeßvorriohtung verwendeten
'"!'■**■■■.■£ 009833/0222
m -M* . BAD ORIGINAL f
Pig. 4 die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen und der erfindungsgemä3en Festwiderst:lnde in einer
Meßbrücke und
Fig. 5 in vergrößerter Darstellung eine keßbrückensehaltung
mit mehreren Varianten fur die Anordnung
der Feetwideret; nde.
Die Kraftmeßvorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus eines ringförmigen Meßglied 6, welches im Innern
eines Gehäuseβ 7 angeordnet ist. Die eine Seite des Meßgliedes 6 ist an einer mit den Gehäuse 7
verbundenen starren Basis 8 befestigt. Die gegenüberliegende beite geht in ein stabförmigeβ Krafteinleitungsteil
9 über, welches durch eine entsprechende Öffnung im Gehäuse 7 nach außen geführt ist. Hierbei
wird das Krafteinleitungsteil 9 mittels zweier Membranen 10 und 11 tu Bewegungen lediglich in Richtung seiner
Längsachse 17-17 befähigt gef hrt. Das Gehäuue 7 ist
allseitig einschließlich der Durchtrittseteile für
das Krafteinleitungsteil 9 abgedichtet* so daß das
in seinem Inneren angeordnete Keßglied 6 mit den an
diesem in bekannter «eise zur Ermittlung seiner Verformung unter der Kraftwirkung angeordneten Dehnungsmeßstreifen
12 bis 15f beispielweise Halbleiterdehnungsmeßstreifen
aus Sylizium des p-Type, hermeti.ch
abgekapselt ist.
In bekannter »eiee bilden die Dehnungsmeßstreifen
12 bis 15 die eineeinen Zweige einer elektrischen KeQ-brUcke.
Die elektrischen Anschlußleitungen sind durch abgedichtete Durchführungen aus dem Gehäuse 7 heraus
in einen außen am Geh; use befestigten ^nschlußkasten
gefuhrt. Gemäß der Erfindung sind, wie nachfolgend anhand
der Fig. 4 und 5 nJier erläutert, die entsprechenden
MeßbrAckenzwcige im Geh useinnern lediglich an drei
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BrUokeneckpunkten elektrisch aibeinander verbunden
und die zum vierten BrUokeneokpunkt führenden Brüokenzweige
elektrisch voneinander getrennt in den Anschlusskasten
l8 geführt. In der Darstellung des Anschlusskasten 18 in Fig. 2 sind diese beiden Leitungen alt
und 2o bezeichnet. Die anderen Anschlussleitungen sind alt 22 bis 24 und die Durchführung selbst alt 21 beziffert.
Weiter sind in Flg. 2 zwei Festwiderstände .26 und 27 Übereinander auf eine« Stift 25 gestapelt,
deren Funktion und Anordnung in der elektrischen Schaltung ebenfalls nachstehend anhand der FIg, 4 und 5 erläutert
wird. Die elektrische Verbindung zwischen dea Anschlusskasten 18 und Anselgeinstruaenten, Spannungsquelle usw. erfolgt in bekannter Weise über ein Kabel
alt Steoker 28.
Qemäss der Erfindung können die Dehnungsaefistreifen 12
bis 15 ( Fig. 1 ) eine unterschiedliche Lage ihrer Wlderstands-Teaperatur-Kennllnle
besitzen, wenn nur die Charakteristik, d.h. die Fora der Kennlinien, la wesentlichen
die gleiche 1st. In Flg. 3 sind die Kennlinien der Dehnungsaeestreifen 12 bis 15 dargestellt und zwar
entspricht bei diese« Beispiel die Kennlinie Rl dea Dehnungsaeestreifen 13, die Kennlinie R2 dea DehnungsaeBstrelfen
14, die Kennlinie R) dea Dehnungsaeestreifen und die Kennlinie R4 dea Dehnungsme0etrelfen 12.
Flg. 4 zeigt das Schaltbild der DehnungsaeSetrelfen, wobei
die entsprechenden Wlderstandssyabole alt gleichen Ziffern 12* bis 15* und zua Hinweis auf die Kennlinien alt Rl bis
R4 bezeichnet sind.
BeIa vorliegenden Beispiel 1st angenoaswn, dass die
DehnungsaeSetrelfen 12 bis 14 eine annähernd gleiche Widerstanda-Teaperatur-Kennllnle
besitzen ( Rl, R2 und R4 in -Fig. 3) und ledlglloh die Kennlinie R) des DehnungsaeB-
«trelfens 15 in stärkere« NaBe von den übrigen abweicht.
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Jt reif en somit in der Brflckensohaltung nioht aufheben»
wäre die BrUokenausgangsspannung Bit einem Temperaturfehler
behaftet. Um dies zu verhindern, 1st gemüse der Erfindung zum DehnungsmeSstreifen 15 ein Festwiderstand 26 ( Fig. 2)
bzw. 26* ( Fig.4 ), dessen Widerstandswert relativ zum
Widerstand des Dehnungsmeßstreifens 15 klein ist, in Reihe und ein Festwiderstand 27 (lg»2) bzw. 27f (Fig.4),
dessen Widerstandswert relativ zum Widerstand des DehnungsmeSstrelfens
gross ist, parallel geschaltet. Die Widerstandswerte
dieser Festwiderstände dürfen sich bei Temperaturänderungen praktisoh nioht Ändern, was entweder
durch Wahl eines entsprechenden Materials oder durch gegenüber Temperatureohwankungen geschützte Anordnung dieser
Widerstände erreicht werden kann. Die Bemessung der Widerstandswerte der Festwiderstände erfolgt naoh zwei ttesichtspunkten.
Zum einen soll der Einfluss der entsprechenden Einschaltung der beiden Widerstände für diesen BrUokenzweig
eine resultierende Kennlinie R3A ( Fig. 3 ) bewirken, zum
anderen soll der die Impedanz im betreffenden BrUokenzweig erhöhende Einfluss des Widerstandes 26 bzw. 26* auf das
BrUokenglelohgewloht duroh den dl· Impedanz im BrUokenzweig
vermindernden Widerstand 27 bzw. 27' aufgehoben werden.
Mit der erfindungsgeaässen Maßnahme wird praktisch die
•leiohung für BrUokenglelohgewloht Rl · R3A - R2 . R4 - 0
erreicht. Da Temperatüränderungen in gleicher Welse auf all·
Dehnungsae8streifen d«r BrUoke einwirken, bleibt auch bei
Temperaturänderungen dieser Gleichgewichtszustand erhalten, und somit der Nullpunkt der BrUoke konstant. Die erfindungsgemässe
MaBnahme hat zwar eine gewiss· Beeinträchtigung der
Empfindlichkeit der Meßanordnung zur Folg·· Diese fällt Jedoch gegenüber dem erzielten Yorteil nioht ins Gewicht. Insbesondere
haben Halbleiterdehnungsmeästreifen mit ungünstigem Temperaturverhalten
eine hohe Empfindlichkeit, so dass der durch die Erfindung bedingt· geringe Empfindliohkeitsverlust ohne weiteres
vernaohlässigbar ist.
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Bei einer VollbrUoke ist et nicht zwingend erforderlioh,
die Widerstünde 26 bzw. 26' und 27 bzw. 27' wie bei« vorstehenden AuefUhrungsbelaplel beschrieben* den Dehnungsnseflstreifen
alt der gröieten temperaturbedingten änderung
seines Widerstandes zuzuordnen. Wie bekannt« kann nan eine in einen BrUokenzweig vorzunehmende Maßnahne auch duroh eine
entsprechende Maßnahme in den diagonal gegenüberliegenden BrUokenzweig ersetzen. Sonit ist die erfindungsgemässo
Tenperaturkonpensation in jeden Falle an einen der beiden
nicht Biteinander verbunden herausgeführten BrUckenzwelge
möglich. Auch kann der eine Festwiderstand in Reihe zu einen Dehnungsmeßstreifen und der zweite Festwiderstand
parallel zu einem anderen Dehnungsmeßstreifen geschaltet werden. Weiterhin ist es sowohl mttglich, den einen Festwiderstand
in Reihe nlt der Parallelschaltung des anderen Festwiderstandes und eines Dehnungsneestreifens als auch
den anderen Festwiderstand parallel zur Reihenschaltung des einen Festwiderstandes und eines Dehnungsmeßstreifens zu
sohalten. Als Beispiel seien In folgenden die Verhältnisse
für eine optimale Tenperaturkonpensation bei der Schaltung eines Festwiderstandes parallel zur Reihenschaltung des
anderen Festwiderstandes nit einen Dehnungsmeßstreifen betrachtet.
Hierbei seien:
Rl bis R4 die Widerstände der vier Dehnungsmeßstreifen bei
einer Ausgangetemperatur«
Rl* bis R*1 die Widerstände derselben Dehnungsmeßstreifen
bei einer höheren Temperatur,
V die BrUokenausgangsspannung bei der ersten Tenperatur
und V die BrUokenausgangsspannung bei der zweiten Tenperatur. Damit ergibt aioh:
y Ri R·» ** Rp R4
(R1 + R2) (R^ + R4)
Rx 1 Ry-V V
(Rx* ♦ R2 1) (R,1 R4'
Bifj
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. £573417
FUrV >>
V > O ergibt sich sodann, dass der in R ihe zu
eine· Dehnungsmeßstreifen zu schaltende Festwiderstand rl
und der parallel zu Behaltende Festwiderstand r2 entweder in de« JfrUokenzwelg R3 oder in de« Brüokenzweig Rl liegen
■Ussen. Venn «an annlaat, dass die Festwiderstand^ mit den
Zuleitungen zu« Widerstand YO verbunden sind, dann kann nachgewiesen werden, dass die Brtloke notwendigerweise in
Olelohgewlcht bleibt, 1« wesentlichen unabhängig von der
Temperatur, wenn:
Vf ρ
Xr - 4 ao
<■ ——— - —— - "" * "~"~ uno 1 2a
<■ ——— - —— - "" * "~"~ uno 1 2a
fc ψ% __ _m_
R1 T1 ♦ R1 Rj -
worin bedeuten:
a <■ Rg Rh R| - Rg Rh Rj
b^_ 13 ™ U * 13 Xi D ' 13 13 ' ^3 * ^L ^Λ D ID τ>
I Q ff
" tim n-m «p nt — itg tiu rig Ah τ Hg ilk π·« n« — rip
Rfc R-» R« R·» — Rp Rw R·» Rg Rt — R,- R^ R1. R. u·» +
1 R4 1 Ry R2 R^
und
a r^ ♦· b T1 ♦ o«O.
ao ergibt sieht
r^ · 4,58 Oh« und r? (parallel zu der Reihenschaltung von T^
und R5) - 18 860 Oh«.
In diese« Falle ergeben sich sowohl Brtlokengleiohgewlcht als
auch Kompensation des Teaperaturfehlers. Obwohl nur zwei be-
BAD ORiGlNAL
009833/0222
- 8-
stimmte Werte der Festwiderstände die Bedingungen dieser
optimalen Kompensation erfüllen« müssen die Pestwiderstände
in der Praxis nicht exakt bemessen sein. Man kann eine gute Kompensation auch erreichen« wenn man im Rahmen gewisser
Toleranzen Abweichungen zulässt. Es ist auch nicht erforderlich, in jedem Falle eine detaillierte Berechnung durchzuführen.
Es können auch leicht einfache grafische Darstellungen und Tabellen aufgestellt werden« mit welchen die Auswahl der
Pestwiderstände getroffen werden kann. Ferner kann man empirisch vorgehen« indem man zahlreiche Widerstände mit
Hilfe von Widerstandsdekaden einschaltet« wobei diese Widerstände ehen grossen Widerstandsbereich für die Ermittlung
darbieten müssen. Danach werden dieser forder liehen Wlderstandsgrössen
in die Schaltung eingefügt. Wenn man weiss« wie hoch die vier Brückenwiderstände bei zwei verschiedenen Temperaturen
sind« und in welcher Richtung die Verstimmung der Brücke erfolgt« was man durch einfache Messungen der Ausgangsspannung
erfahren kann; dann ist es eine Routinearbelt« festzustellen« welchem BrUokenzwelg oder welchen Brüokenzwelgen die Festwiderstände
zuzuordnen sind.
Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung für die in Fig. 1
dargestellte Vorrichtung« bei welcher - unter der Voraussetzung« daes auf das Meßglied 6 eine Druckkraft wirkt die
mit T bezeichneten Dehnungsmeßstreifen eine Dehnung und die mit C bezeichneten Dehnungsmeßstreifen eine Stauchung
erfahren. Die bereits im Innern des Gehäuses gebildeten BrUcke3punkte 31,32«3* sind über Leitungen 22 bis 24 nach
aussen geführt. Die Brückenzweige 12 und 15 hingegen sind
getrennt über die Leitungen 19 und 2o herausgefühlt. Die Speisung der Brücke erfolgt durch eine Spannungsquelle 3o
über die Brückeneckpunkte 31 und 32 während ein hochohmiges
Anzeigeinstrument 33 bekannter Art an die Brttckeneokpunkte und 35 angeschlossen 1st. In der dargestellten Anordnung sind
die Festwiderstände 26 und 27 mit dem BrUckenzwelg verbunden« der den Dehnungsmeßstreifen 12 enthält. Wäre hingegen alternativ
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BAD
die Kompensation ie BrUokenzweig, der den Dehnungameflstreifen
15 enthält, notwendig gewesen« so würde der
Parallelwiderstand 27 in der gestrichelten Position 27a eingefügt werden und der Reihenwiderstand 26 mit den An·
zeigelnstrunent 33 durch die gestrichelt gezeichnete
Verbindungslinie 26a verbunden werden. Die anderen dargestellten, aber nioht näher bezeichneten Schaltkreiswiderstände
stehen nioht in unmittelbarem Zusammenhang
nit der Erfindung.
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Claims (6)
1.) Meßwertaufnehmer mit an «ine« unter einer Kraftwirkung
verformbaren Meßglied angebrachten und zu einer elektrischen MeßbrUoke geschalteten elektrischen
Dehnungsmeßstreifen - vorzugsweise Halbleiterdehnungsmeßstreifen
- und Kitteln zur Verminderung des ElnOiSses
temperatürbedingter Änderungen der Widerstände der
Dehnungsmeßstreifen auf die Nullpunktskonstanz der MeßbrUoke« dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung
von Dehnungsmeßstreifen, deren elektrische Widerstände sich bei im wesentlichen gleicher Charakteristik in
unterschiedlichem Maße in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, zu mindestens einem der Dehnungsmeßstreifen
ein erster Festwiderstand in Reihe und ein zweiter Festwiderstand zu demselben oder einem anderen Dehnungsmeßstreifen
parallel geschaltet ist und die beiden Festwiderstandβ praktisch keine temperaturbedingten
Xnderungen ihres Widerstandswertes erfahren und so bemessen sind, dass ohne Veränderung des Brtlokenglelohgewiohtes
der Einfluss der temperaturbedingten Widerstandsänderungen auf die Nullpunktskonstanz praktisch
aufgehoben wird.
2.) Meßwertaufnehmer nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Festwiderstände aus einem Material bestehen, dessen Widerstandswert von der Temperatur
unabhängig ist.
3.) Meßwertaufnehmer nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Festwiderstände an einem Ort konstanter Temperatur angeordnet sind.
4.) Meßwertaufnehmer nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, in Reihe zu einem Dehnungsmeßstreifen
geschaltete Festwiderstand einen relativ zum
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- 11 -
Widerstandswert des Dehnungsneestrelfens kleinen
und der zweite, parallel zua Dehnungsneestreifen gesphaltete festwiderstand einen relativ zum Widerstandswert
des Dehnungsmeßstreifens grossen Widerstandewert beaitzt.
5.) Meßwertaufnehaer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet«
dass die beiden FestwlderstKnde den Dehnungsmeßstrelfen
mit der grussten teaperaturbedingten Änderung seines Widerstandes zugeordnet sind.
6.) MeSwertaufnehaer naoh Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet,
dass bei an sich bekannter Kapselung des Meßgliedes und der Dehnungsmeßstreifen und HerausfUhrung der Anschlussleitungen
zu den die Ausgangs- und Eingangskleanen bildenden BrUokfeokpunkten die MeßbrÜokenzwelge an drei
Brtlokeneckpunkten la KapselgehKuse elektrisch verbunden
und die zuai vierten BrUckeneckpunkt führenden Brtlckenzweige
zwecks Anschluss der beiden Festwlderstänk getrennt
voneinander aus den dehluee herausgeführt sind.
BAD ORIGINAL 009833/0222
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US45388065A | 1965-04-26 | 1965-04-26 |
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DE1573417A1 true DE1573417A1 (de) | 1970-08-13 |
Family
ID=23802447
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19661573417 Pending DE1573417A1 (de) | 1965-04-26 | 1966-04-21 | Messwertaufnehmer |
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