DE1573417A1

DE1573417A1 - Messwertaufnehmer

Info

Publication number: DE1573417A1
Application number: DE19661573417
Authority: DE
Inventors: Pien Hsia S
Original assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Current assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Priority date: 1965-04-26
Filing date: 1966-04-21
Publication date: 1970-08-13
Also published as: US3447362A

Description

6.fsfc<r_Bsli»B· 3 Wrf« 25Mf 1 5 7 3 A 1

Meßwertaufnehmer

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

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Dehnungsmeßstreifen,

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.

Da sich die Teaperaturfehler der einzelnen DehnungsaeB-

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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. 27^f (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)

R_x ¹ Ry-V V

(R_x* ♦ R₂ ¹) (R,¹ R₄'

Bifj

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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

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

Rh R"| R* * Rg Rh Rg Rh *· Rg Rh R·» R^

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.

Ist beiapielBwelse: R₁ - 55o Oha, R₂ - 35o One, R^ « 351 ph«, R₄ « M9 Ohm und R₁* · 4oo Oh«, R₂ ¹ - *oo Oha, R₅ ¹ - %o2 Ohm und R₄ ¹ - 398 One

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-

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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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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

ι ι Patentansprüche

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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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.

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