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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Temperaturabgleich
eines Kraftaufnehmers mit Dehnungsmeßstreifen (abgekürzt DMS)
zur Messung der belastungsabhängigen
Verformung des Kraftaufnehmers und mit mindestens einem Temperatursensor
zur Messung der Temperatur des Kraftaufnehmers.
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Kraftaufnehmer
dieser Art sind allgemein bekannt und beispielsweise in der
DE 21 18 305 A beschrieben.
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Zum
Temperaturabgleich dieser Kraftaufnehmer ist es üblich, den Kraftaufnehmer alleine
oder eingebaut in das vorgesehene Gehäuse – bei Benutzung des Kraftaufnehmers
als Meßwertaufnehmer einer
elektronischen Waage also im Waagengehäuse – in einer Klimakammer mindestens
zwei verschiedenen Temperaturen auszusetzen, jeweils das Ausgangssignal
des Kraftaufnehmers zu messen, daraus den Temperaturkoeffizienten
zu errechnen und durch den anschließenden Einbau von Abgleichelementen
oder durch das Einspeichern von Korrekturparametern in der digitalen
Signalverarbeitungseinheit die Temperaturabhängigkeit möglichst auf Null zu bringen.
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Dieses
Temperaturabgleichverfahren erfordert jedoch durch die benötigte Klimakammer
eine erhebliche Investition und verursacht auch erhebliche Energiekosten.
Außerdem
ist der Zeitbedarf hoch, da bei jeder Temperatur erst die ganze
Klimakammer auf die neue Temperatur gebracht werden muß und die
Temperaturkonstanz abgewartet werden muß.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Temperaturabgleich
eines Kraftaufnehmers anzugeben, das ohne große Investitionen auskommt,
wenig Energie erfordert und nur kurze Zeit in Anspruch nimmt.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht,
- – daß an die DMS eine Spannung ”Heizspannung”) angelegt
wird, die höher
ist als die Spannung während
des Betriebes des Kraftaufnehmers (”Versorgungsspannung”),
- – daß die resultierende
Erwärmung
des Kraftaufnehmers durch den Temperatursensor gemessen wird,
- – daß nach einer
vorgegebenen Zeit oder nach dem Erreichen einer vorgegebenen Temperaturerhöhung die
Heizspannung abgeschaltet wird und statt dessen die Versorgungsspannung
an die DMS angeschlossen wird,
- – daß aus dem
Ausgangssignal der DMS nach dem Ende der Heizperiode im Vergleich
zum Ausgangssignal der DMS vor der Heizperiode und aus der vom Temperatursensor
gemessenen Temperaturerhöhung
der Temperaturkoeffizient des Kraftaufnehmers einschließlich der
DMS ermittelt wird
- – und
daß der
so ermittelte Temperaturkoeffizient gespeichert und anschließend zur
rechnerischen Korrektur der Temperaturabhängigkeit des Kraftaufnehmers
benutzt wird.
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Es
wird also nur der Kraftaufnehmer aufgeheizt, als Heizwiderstände werden
die vorhandenen DMS benutzt und der Temperaturkoeffizient wird aus dem
dynamischen Verhalten des Kraftaufnehmers hergeleitet, ohne daß eine stationäre Temperaturverteilung
abgewartet wird.
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Die
Benutzung eines zusätzlichen
Heizwiderstandes in der Nähe
der DMS zum Konstanthalten der Temperatur des Kraftaufnehmers ist
bereits aus der
DE 22
26 570 A bekannt. Das Anlegen verschieden hoher Spannungen
an die DMS-Brücke ist
bereits aus der
US 4,872,349
A bekannt, die höhere Spannung
wird dort jedoch immer nur ganz kurzzeitig (~ 0,2 ms) angelegt,
um eine merkliche Temperaturerhöhung
zu vermeiden. Demgegenüber
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
direkt die DMS als Heizwiderstände
benutzt und es wird so stark und so lange geheizt, daß sich eine
deutliche Temperaturerhöhung
des Kraftaufnehmers in der Größenordnung
von 5 K ergibt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben.
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Dabei
zeigt:
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1 einen
Kraftaufnehmer mit DMS,
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2 die
dazugehörige
elektrische Schaltung,
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3 den
zeitlichen Verlauf der Spannung an den DMS, des Signals des Temperatursensors und
des Ausgangssignals der DMS-Brücke
und
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4 den
zeitlichen Verlauf der Spannung an den DMS, des Signals des Temperatursensors und
des Ausgangssignals der DMS-Brücke
in einer Variante.
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Der
in 1 gezeigte Kraftaufnehmer besteht aus einem Metallblock,
bei dem durch eine innere Ausnehmung 2 ein oberer Lenker 21,
ein unterer Lenker 22, ein Lastaufnehmer 4 und
ein Stützteil 3 erzeugt
ist. Das Stützteil 3 ist
am nur angedeuteten Gehäuse 25 befestigt
und stützt
sich dort ab. Am Lastaufnehmer 4 wird die zu messende Kraft
eingeleitet. Wenn der Kraftaufnehmer 1 als Meßwertaufnehmer
einer Waage benutzt wird, wird am Lastaufnehmer 4 über ein
Zwischenstück 23 die
in 1 nur angedeutete Waagschale 24 befestigt.
Der obere Lenker 21 und der untere Lenker 22 bilden
dabei die Parallelführung
für die
Waagschale 24. Der Kraftaufnehmer 1 weist weiterhin
vier DMS 6...9 auf, die an den Dünnstellen
aufgeklebt sind und die belastungsabhängige Verformung des Kraftaufnehmers 1 in
ein elektrisches Signal umformen. Die DMS 6...9 sind
zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung
verschaltet (2). Die Brückenschaltung wird dabei in
der gezeichneten Stellung der Umschalter 14 und 15 von der
Spannungsquelle 16 mit einer Spannung von einigen Volt
versorgt (Versorgungsspannung UV). Das Ausgangssignal
der Brückenschaltung
wird durch einen Verstärker 10 verstärkt, durch
einen Analog/Digital-Wandler 11 digitalisiert und einem
Mikroprozessor 12 zur Weiterverarbeitung und zur Steuerung
der Anzeige 13 zugeführt.
Weiter ist in 1 und 2 ein Temperatursensor 5 erkennbar,
der die Temperatur des Kraftaufnehmers 1 erfaßt. Der
Temperatursensor 5 kann z. B. ein temperaturabhängiger Widerstand sein,
dessen temperaturabhängiger
Widerstandswert z. B. durch einen RC-Oszillator 19 digitalisiert
und dem Mikroprozessor 12 zugeführt wird. Bei bekanntem Temperaturkoeffizienten
des Kraftaufnehmers einschließlich
der DMS 6...9 und der nachgeschalteten Elektronik 10 und 11 kann
dann dieser Temperaturkoeffizient vom Mikroprozessor rechnerisch
korrigiert werden. – Kraftaufnehmer
dieser Art mit DMS, die Auswerteelektronik und die rechnerische
Temperaturkorrektur im Mikroprozessor sind allgemein bekannt, so
daß hier
auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet
werden kann.
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Weiterhin
weist die Wheatstonesche Brückenschaltung
gemäß 2 eine
zweite Spannungsquelle 17 auf, deren Spannung (Heizspannung UH) deutlich höher liegt als die Versorgungsspannung UV und z. B. etwa 100 V beträgt. Die
Umschaltung zwischen der Versorgungsspannung und der Heizspannung
erfolgt durch die Umschalter 14 und 15, die über die
Leitung 18 vom Mikroprozessor 12 gesteuert werden.
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Zur
Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des Kraftaufnehmers 1 wird
dann folgendes Verfahren benutzt:
- – In einem
ersten Schritt wird statt der normalen Versorgungsspannung UV die Heizspannung UH an
die Wheatstonesche Brückenschaltung
angelegt (Teilbild a in 3),
- – die
daraus resultierende Temperaturerhöhung der DMS 6...9 und
des Kraftaufnehmers 1 wird durch den Temperatursensor 5 gemessen
(Teilbild b in 3),
- – nach
dem Ablauf einer vorgegebenen Zeit t2 – t1 oder nach dem Erreichen einer vorgegebenen Temperaturerhöhung T2 – T1 wird durch Umschalten der Schalter 14 und 15 die
Heizspannung UH abgeschaltet und statt dessen
die Versorgungsspannung UV an die Wheatstonesche
Brückenschaltung
angelegt und das Ausgangssignal der Brücke (Teilbild c in 3)
gemessen.
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Wegen
der zwischenzeitlichen Erwärmung des
Kraftaufnehmers 1 wird das Ausgangssignal U2 der
Wheatstoneschen Brückenschaltung
am Ende t2 der Heizphase im allgemeinen
verschieden sein vom Ausgangssignal U1 unmittelbar
vor Beginn der Heizphase. Aus der Differenz U2 – U1 der Ausgangsspannungen und der Differenz
der Temperaturen T2 – T1 kann
der Mikroprozessor 12 dann den Temperaturkoeffizienten
des Kraftaufnehmers 1 einschließlich der DMS 6...9 ermitteln.
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Da
die Temperaturverteilung im Kraftaufnehmer 1 am Ende t2 der Heizphase ungleichmäßig ist, weicht der so ermittelte
Temperaturkoeffizient geringfügig
von dem Temperaturkoeffizienten ab, den man messen würde, wenn
man den ganzen Kraftaufnehmer einer erhöhten Umgebungstemperatur aussetzt. Dieser
geringe Unterschied kann z. B. durch empirisch ermittelte Korrekturfaktoren
ausgeglichen werden. Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die DMS als Heizwiderstände
benutzt werden, erfolgt die Erwärmung
gezielt in dem Bereich des Kraftaufnehmers 1 der auch für die Meßwertermittlung
benutzt wird. Dadurch sind die anzubringenden Korrekturfaktoren
deutlich geringer als wenn man den Kraftaufnehmer 1 durch
gesonderte Heizwiderstände
aufheizen würde.
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In
einer etwas leistungsfähigeren
Variante kann auch zusätzlich
zur gemessenen Temperatur T2 und dem Ausgangssignal
U2 am Ende t2 der
Heizperiode der zeitliche Verlauf der Temperatur T = f(t) und der
zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung U = f(t) über einen gewissen Zeitraum
t > t2 gemessen
und zur Bestimmung des Temperaturkoeffizienten herangezogen werden.
Dadurch ist eine genauere Eingrenzung des dynamischen Effektes möglich.
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In
einer noch leistungsfähigeren
Variante wird nicht nur während
der Abkühlphase
t > t2 der zeitliche
Verlauf der Temperatur und der Ausgangsspannung der Wheatstoneschen
Brückenschaltung gemessen,
sondern auch während
der Aufheizphase. Dazu wird – wie
es in 4 gezeigt ist – die Heizspannung mehrmals
kurz abgeschaltet und statt dessen die Versorgungsspannung an die
Wheatstonesche Brückenschaltung
angelegt. Die Aufheizung wird dadurch praktisch nicht beeinflußt, man
erhält
jedoch in den kurzen Pausen jeweils einen Wert für die Ausgangsspannung der
Wheatstoneschen Brückenschaltung
und kann dadurch auch während
der Aufheizphase den Verlauf des Ausgangssignals der Wheatstoneschen
Brückenschaltung
ermitteln. Das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Brückenschaltung
in Abhängigkeit
vom Signal des Temperatursensors kann dann sowohl für die Aufheizphase als
auch für
die Abkühlphase
ermittelt werden und durch den Vergleich der beiden Phasen können die dynamischen
Effekte natürlich
am besten ermittelt und eliminiert werden.
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Im
vorstehenden ist stillschweigend davon ausgegangen, daß der Kraftaufnehmer 1 während der
Aufheiz- und Abkühlphase
unbelastet ist. Der gemessene Temperaturkoeffizient ist also der
Temperaturkoeffizient des Nullpunktes. Selbstverständlich ist es
auch möglich,
in gleicher Weise den Temperaturkoeffizienten des Lastwertes (unter
konstanter Last) zu bestimmen, wodurch sich durch Differenzbildung auch
der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit bestimmen läßt. Alternativ
ist es auch möglich,
den Kraftaufnehmer 1 während
der Aufheiz- und Abkühlphase
in kurzzeitigem Wechsel ohne und mit Last zu betreiben und dadurch
sowohl den Temperaturkoeffizienten des Nullpunktes als auch den
Temperaturkoeffizienten des Lastwertes und der Empfindlichkeit innerhalb
eines einzigen Aufheiz- und Abkühlvorganges
zu ermitteln.
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Der
Temperaturkoeffizient bzw. die Temperaturkoeffizienten werden in
der beschriebenen Weise nach der Fertigstellung des Kraftaufnehmers
bzw. der kompletten Waage einmalig ermittelt und anschließend in
den Speicher des Mikroprozessors 12 eingespeichert. Bei
der normalen Benutzung des Kraftaufnehmers bzw. der Waage wird dann
mit dem Signal des Temperatursensors 5 und dem/den abgespeicherten
Temperaturkoeffizienten in bekannter Weise eine rechnerische Temperaturkompensation durchgeführt. Da
durch das erfindungsgemäße Verfahren
die Bestimmung des Temperaturkoeffizienten sehr vereinfacht ist
und auch das Verändern
der eingestellten Temperaturkompensation keinen Eingriff in die
Hardware erfordert, ist es auch möglich, beispielsweise nach
Reparaturen oder im Rahmen einer Überprüfung des Kraftaufnehmers den
Temperaturkoeffizienten neu zu bestimmen und den alten abgespeicherten
Wert durch den neu bestimmten zu ersetzen.
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Die
in 1 gezeigte Form des Kraftaufnehmers 1 und
die Anordnung der DMS 6...9 sind selbstverständlich nur
beispielhafte Ausgestaltungen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei
Kraftaufnehmern, bei denen in der Geometrie von 1 alle vier
DMS auf der gleichen Seite appliziert sind, oder bei Kraftaufnehmern
mit säulenförmigen Stauchkörpern oder
bei Scherkraftaufnehmern mit gekreuzten DMS oder bei Ringtorsions-Wägezellen
oder bei anderen Kraftaufnehmern mit DMS eingesetzt werden – Dasselbe
gilt für
die in 2 gezeigte Schaltung. Beispielsweise kann der
Temperaturfühler 5 auch
ein Thermoelement, ein pn-Übergang
oder ein anderes temperaturabhängiges
Bauelement sein. Ist der Temperaturfühler ein temperaturabhängiger Widerstand, so
kann dieser in bekannter Weise auch in Reihe zur Wheatstoneschen
Brückenschaltung
liegen und vom Versorgungsstrom der Wheatstoneschen Brückenschaltung
durchflossen werden. In diesem Fall muß dafür gesorgt werden, daß der Temperaturfühler während der
Heizphase nicht vom hohen Heizstrom, sondern nur von seinem Meßstrom durchflossen wird,
um seine Funktion als Temperaturfühler während der Heizphase sicherzustellen. – Weiterhin
ist das erfindungsgemäße Verfahren
selbstverständlich auch
für Kraftaufnehmer
mit mehr als vier DMS einsetzbar.