DE1904268U

DE1904268U - Spannungsmessbruecke aus metallfolie zur messung von belastungen in bauwerken od. dgl.

Info

Publication number: DE1904268U
Application number: DE1961W0026987
Authority: DE
Original assignee: Westland Aircraft Ltd
Current assignee: Westland Group PLC
Priority date: 1960-10-22
Filing date: 1961-10-06
Publication date: 1964-11-12
Also published as: GB921837A

Description

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WESTLAM) AIRCRAFT LIMITED, Yeovil, Somerset, England

Spannungsmeßbrücke aus Metallfolie zur Messung von Belastungen in Bauwerken o. dgl.

Die !Teuerung betrifft eine Spannungsmeßvorrichtung, wie sie z.B. zum Messen von unmittelbaren Zug- oder Druckbeanspruchungen in Bauwerken bzw. Bauwerksteilen verwendet werden. Diese Spannungsmeßvorrichtungen weisen einen elektrischen Widerstand aus Metallfolie oder Metalldraht auf, der in enger Verbindung mit dem zu prüfenden Material oder dem zu prüfenden Bauteil angeordnet ist, so daß jede Beanspruchung, die auf das Material ausgeübt wird, auf die Meßvorrichtung übertragen wird. Eine derartige Beanspruchung ergibt eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Meßvorrichtung und diese Änderung läßt sich dann sehr genau messen.

Derartige Spannungsmeßvorrichtungen werden sowohl in der Forschung, in der Entwicklung und im normalen Betrieb sehr vielseitig angewendet. So lassen sie sich beispielsweise für die Messung von Beanspruchungen in Zylindereinsätzen von

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zum Schreiben vom 27.8.64 /We°n: W 26 987/42 k

Dieselmotoren, für Betonbauten, Kräne, für die Messung von Sprungwellen bei Fahrzeug·= oder llugzeugkraftstoffaufnahmevorrichtungen, Radarantennen und ihre Halterungen, Auftakelungen, Schiffsschrauben- und Antriebe, Bodendruekmessungen unter der Erdoberfläche und dgl. mehr verwenden» Sie sind ebenfalls bereits erfolgreich bei Druckwandlern, Belastungsmesszellen, Drehmomentmessvorrichtungen und Dynamometern eingebaut worden·

In vielen Anwendungsfällen sind diese Messvorriehtungen sehr klein, die Dicke des Metalles, aus dem sie hergestellt sind, beträgt etwa 0,005 mm und ihre Länge 0,40 mm. Solche Meßvorrichtungen sind auf einer Unterlage von ungefähr 0,025 mm Dicke angeordnet. Pur manche Anwendungsfälle, beispielsweise bei der Anwendung unter hoher Temperatur, muß die Unterlage entfernt und die Messvorrichtung mit dem zu prüfenden Material fest verbunden werden.

Der Widerstand solcher Messvorrichtungen wird im wesentlichen durch Veränderung in den Umgebungsverhältnissen, beispielsweise durch die Temperatur oder Feuchtigkeit beeinflußt. Es ist deshalb oft erforderlich, mehrere solcher Messvorrichtungen in form einer Wheatstonschen Brücke anzuordnen. Hierbei werden die Beeinflussungen aufgrund der Teränderungen in den Umgebungsverhältnissen beim Abgleich der Brücke dadurch wesentlich verringert, daß eine zweite, identische Meßvorriehtung, die nachstehend als '· Scheinmessvorrichtung " bezeichnet wird, vorgesehen ist, die in ähnlicher Weise angeordnet ist, jedoch nicht beansprucht wird. Diese Scheinmeßvorrichtung ist in einem anderen Brückenzweig eingeschaltet, so daß ihr Einfluß auf den G-esamtabgleich der Brücke in der Wirkung entgegengesetzt zu der der ersten Messvorrichtung ist, die als die wirksame Meßvorrichtung bezeichnet wird· Es sind noch zwei weitere Zweige der Wheatstonsehen Brücke

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vorhanden und diese enthalten Abgleichwiderstände bekannter Größe und sind üblicherweise so ausgelegt, daß die Brücke im Abgleich ist, wenn die wirksame Meßvorrichtung nicht beansprucht ist· Andererseits können diese Zweige eine zusätzliche wirksame Meßvorrichtung und eine zusätzliche Scheinmeßvorrichtung aufweisen.

Es gibt zwei grundlegende Verfahren zur Anwendung solcher Wheatstonschen Brückenschaltungen für die Messung einer Widerstandsänderung und damit einer Beanspruchung der wirksamen Meßvorrichtung·

Mach dem einen Verfahren, das als Mullabgleichverfahren bezeichnet wird, sind ein oder mehrere Abgleichwiderstände einstellbar und so eingestellt, daß die Brücke im Gleichgewicht gehalten wird, wobei die Größe der erforderliehen Einstellung proportional der in die wirksame Meßvorrichtung eingeführten Beanspruchung ist.

Das andere Verfahren ist als Abweichungsverfahren bekannt und verwendet ein Galvanometer oder ein ähnliches Gerät zur Messung der Änderung des durch die Brücke fließenden Stromes, der proportional der in der wirksamen Meßvorrichtung bzw. in den wirksamen Meßvorrichtungen induzierten Beanspruchung ist·

Die beschriebenen bekannten Systeme sind so aufgebaut, daß sie getrennte Widerstände für die wirksame Meßvorrichtung, die Scheinmeßvorrichtung und beiden Abgleichwiderstände oder aber eine zusätzliche wirksame Meßvorrichtung und eine zusätzliche Scheinmeßvorrichtung enthalten* Dadurch müssen 12 Verbindungen hergestellt werden, was besonders schwierig und nach teilig ist, wenn die Messvorrichtungen klein und sehr dünn ausgeführt sind. Weiterhin muß jeder Widerstand getrennt

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befestigt werden und die Schwierigkeiten, die hierbei auftreten, sind verhältnismäßig groß, insbesondere wenn die montierte Vorrichtung unter hoher Temperatur arbeiten muß, wenn die Meßvorrichtung von ihrem Träger entfernt werden müssen, wobei der Befestigungs- und Yerbindungsvorgang viel Zeit in Anspruch nimmt und kompliziert ist. Da ferner das Verlöten der äußeren Anschlüsse und der Anschlüsse aus der Brücke in unmittelbarer Nähe der Messvorrichtungen selbt vorgenommen werden muß, können sehr leicht Beschädigungen vorkommen. Ferner müssen während der Befestigung die wirksame Messvorrichtung und die Scheinmeßvorrichtung genau im rechten Winkel zueinander angeordnet werden. Aus diesem G-runde ergibt sich, daß große Schwierigkeiten überwunden werden müssen, wenn eine Brücke in solchen Fällen eingebaut werden muß, wo der Zugang schwierig und zeitraubend ist. In den Fällen, in denen die Messvorrichtungen nicht genau aufeinander ausgerichtet sind, werden fehlerhafte Meßergebnisse erhalten· Schließlich muß die Brücke vor in Betriebnahme abgeglichen werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Feuerung besteht deshalb darin, eine nach dem Prinzip der Wheatstonschen Brücke arbeitende Spannungsmeßvorrichtung vorzusehen, deren Anwendung etwa 75 io der normalen Montagezeit erspart, insbesondere dort, wo die Vorrichtung unter hohen Temperaturen arbeiten muß, wobei die Installation zeitraubend und schwierig ist.

Nach der Neuerung soll auch ein neuartiger, als einteilige Baueinheit hergestellter Spannungsmesser vorgesehen werden, bei dem nur vier Verbindungen beim Aufbau einer Wheat ston€,-schen Brücke erforderlich sind. Ferner ist der Spannungsmesser nach der leuerung nach einem Herstellverfahren ausgeführt, bei dem ein guter Temperaturausgleich vorhanden ist und der Aufbau kompakt ist sowie relativ wenig Platz erfordert·

Patentanwälte Dipl.-Ing. Hans Begrich - Dipl.-Ing. Alfons Wasmeier - Regensburg, Lessingstraße 10 Blatt 5 zum Schreiben vom 27«8.64/ü?S ^an:

Weiter ist Ziel der Neuerung eine Spannuhgsmeßvorrichtung nach. Art einer Wheat st ons chen Brücke, bei der die wirksamen Meßvorrichtungen und die Scheinmessvorrichtungen genau im rechten Winkel zueinander angeordnet sind und bei der diese Anordnung während des Zusammenbaues bzw. Einbaues nicht gestört werden kann.

Gremäß der Neuerung wird eine Spannungsmeßbrücke aus Metallfolie zur Messung von Belastungen in Bauwerken o. dgl. mit vier jeweils um 90° versetzten Meßelementen, deren Achsen senkrecht aufeinander stehen und die aus einem einzigen, als fortlaufender Streifen ausgebildeten Bauteil geformt sind, in der Weise ausgebildet, daß das Bauteil aus vier zickzackförmig geformten, die umschlossene Fläche gleichmäßig ausfüllenden Widerständen und aus die einzelnen Widerstände verbindenden Anschlußstreifen besteht, deren Breite ein Vielfaches der Widerstände ist, und daß das innere Ende eines jeden Widerstandes mit dem äußeren Ende eines benachbarten Widerstandes über jeweils einen Anschlußstreifen verbunden ist. Vorzugsweise ist die Spannungsmeßbrücke mit einer Unterlage aus biegsamem Material verbunden, wobei dieses Material elektrisch isolierendes Material oder Kunststoff sein kann. Die Verwendung von Kunststoff ermöglicht besonders die Anwendung der Brücke bei hohen Temperaturen.

lach einer besonderen Ausführungsform der Heuerung wird der fortlaufend zusammenhängende Folienstreifen gleichzeitig mit seiner Aufbringung durch Auslösen von Teilen der Metallfolie geformt, wie dies bei der Technik der gedruckten Schaltungen bekannt ist. Da ein Kratzer das Element gebrauchsunfähig machen würde, wird die Folie in direkte Berührung mit der biegsamen Unterlage gebracht, so daß das fertige Element auf der Unterlage zurückbleibt, wenn der Auflösevorgang der zu entfernenden Teile der Folie abgeschlossen ist. Die einzelnen, identisch ausgebildeten zickzackförmigen Teile

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des fortlaufenden Folienstreifens besitzen Anschlüsse und Zwischenverbindungen für die Widerstände« Ein entsprechender Anschlußteil ist mindestens zehnmal breiter als die Teile des Streifens, die die Widerstände bilden, und der Streifen ist insgesamt so ausgelegt, daß die Klemmen oder Anschlußteile erhaben aus dem Umfang des fertigen Bauteiles hervorstehen. Diese Leitungsverbindungen können mehrere Zentimeter lang sein, so daß der Yorgang des Anschließens einfacher und das Löten oder Schweißen im Abstand von der Brücke selbst vorgenommen werden kann, ohne daß irgendwelche Beschädigungen auftreten.

Ein wesentlicher Vorteil der Feuerung besteht darin, daß die Spannungsmeßbrücke sehr klein ausgeführt werden kann, beispielsweise können die Abmessungen kleiner als die einer Briefmarke gewählt werden. Ferner kann durch den gewählten Aufbau die Verlötung der zu verbindenden Anschlüsse in einem ausreichenden Abstand von der Spannungsmeßbrücke vorgenommen werden, so daß hierdurch keine Beschädigung»auftreten können.

Nachstehend wird die Neuerung in Verbindung mit der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 - 3 zeigen drei verschiedene Ausführungsformen der neuerungsgemäßen Spannungsmeßbrücke,

Fig. 4 zeigt ein einfaches Schaltschema, das angibt, wie die Spannungsmeßbrücke mit einer Batterie und einem Galvanometer verbunden ist.

In Fig. 1 ist ein fortlaufender Streifen aus Metallfolie so geformt, daß er vier Widerstände 1,2,3,4 ausbildet, die untereinander durch breitere Teile 5,6,7,8 miteinander ver-

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banden sind. Diese Teile "bilden sowohl die Anschlußklemmen als auch die elektrischen Zwischenverbindungen zwischen den Widerständen. Die Widerstände 1,2,3,4 sind in Reihe miteinander geschaltet.

In der Ausführungsform nach fig. 2 sind vier Widerstände 9,10,11,12 in Reihe miteinander durch radiale Arme 13,14,15, 16 geschaltet, die gleichzeitig die Anschlußklemmen für die Vorrichtung bilden.

Bei der Anordnung nach Pig. 3 liegen die vier Widerstände 17,18,19,20 in Reihe miteinander über Anschlußteile 21,22, 23,24.

Bei dem Schaltschema nach Pig. 4 sind die beiden gegenüberliegenden Zweige 26 und 29 einer Brücke 25 durch leitungen 27 und 30 mit einer Batterie 28 verbunden» Die anderen beiden Zweige 31» 34 liegen über Leitern 32 und 35 an einem Galvanometer 33· Im Betrieb ist die Brücke 25 an dem zu prüfenden Teil gelegt und das Galvanometer zeigt Änderungen im Stromfluß durch die Brücke, wenn Auslenkungen und damit Änderungen in der elektrischen Länge der Brücke auftreten. Die Spannung, die für den Betrieb der Anordnung erforderlich ist, ist relativ gering. Das Galvanometer kann durch ein Mikroamperemeter oder ein Galvanometer je nach Verwendung der Messvorrichtung ersetzt werden. Die Spannungsmeßbrücke gemäß der !Teuerung kann auch in Verbindung mit einem Wechselstromsystem oder in Verbindung mit Rechnern und Auslösesystemen verwendet werden, und der Stromkreis kann beispielsweise einen Verstärker erhalten.

Metallfolien, aus denen die Spannungsmeßbrücke hergestellt werden kann, sind z.B. Kupfer-,Nickel- oder Hxckel- Chromlegierungen· Es läßt sich aber auch jeder andere Leiter ver-

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wenden. Die Brücke kann auf einer Unterlage geeigneten Materials, z.B. Epoxy-, Phenol-= oder Polyesterharz, harzimprägniertem Papier, keramischem oder plastischem Material aufgebracht werden, das entfernt wird, wenn die Brücke bei höheren Temperaturen verwendet werden soll.

Die zickzackförmig ausgebildeten Widerstände können auch dadurch hergestellt werden, daß man auf eine isolierende Unterlage eine Metallschicht aufträgt und die Teile herausätzt, die zwischen den Widerstandsdrähten oder -leitern liegen. Das Ätzverfahren ist an sich bekannt und die Metallfolie ist zweckmäßig auf die isolierende Unterlage aufgeklebt.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. Hans Begrich - Dipl.-Ing. Alfons Wasmeier - Regensburg, Lessingstraße 10 Blatt zum Schreiben vom an: Schutzansprüche

1. Spannungsmeßbrücke aus Metallfolie zur Messung von Belastungen in Bauwerken o. dgl., mit vier jeweils um 90° versetzten Meßelementen, deren Achsen senkrecht aufeinander stehen und die aus einem einzigen, als fortlaufender Streifen ausgebildeten Bauteil geformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1-8; 9—16| 17-24) aus vier ziekzackförmig geformten, die umsiiossene Fläche gleichmäßig ausfüllenden Widerständen (1-4? 9—125 17-20) und aus die einzelnen Widerstände verbindenden Anschlußstreifen (5-8; 13-16; 21-24) besteht, deren Breite ein Vielfaches der Widerstände ist, und daß das innere Ende eines jeden Widerstandes mit dem äußeren Ende eines benachbarten Widerstandes über jeweils einen Anschlußstreifen verbunden ist.

2. Spannungsmeßbrücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1-8; 9-16; 17-24) auf einer Unterlage aus biegsamem Material aufgebracht ist, die aus elektrisch isolierendem Material oder Kunststoff besteht.

3. Spannungsmeßbrücke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der fortlaufende Metallstreifen aus einem Metallfolienblatt besteht, bei dem die für den Streifen nicht erforderlichen Teile entfernt sind·

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4. Spannungsmeßbrücke nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstreifen der Widerstände etwa 10 mal breiter sind als die die Widerstände bildenden Teile des Streifens und daß die Anschlüsse in bezug auf das Bauteil (1-8; 9-16; 17-24) erhaben ausgebildet sind.