DE2608381B1

DE2608381B1 - Messumformer

Info

Publication number: DE2608381B1
Application number: DE2608381A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl-Phys Dr Ort
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1976-03-01
Filing date: 1976-03-01
Publication date: 1977-08-11
Also published as: US4116075A; DE2608381C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer mit einer mit der zu messenden mechanischen Größe beaufschlagten Membran, deren Verformung mittels Dehnungsmeßstreifen in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und die einen verdickten Einspannrand aufweist, wobei die Dehnungsmeßstreifen an der Außenseite der Membran oder einer mit der Membran verbundenen Biegefeder angebracht sind.

Derartige Meßumformer bestehen bspw. aus einer Membran, auf der bei entsprechend starken Einwirkungen der mechanischen Größe, Dehnungsmeßstreifen direkt angeordnet sind, die die Änderung der Durchbiegung der Membran in eine elektrische Widerstandsänderung umformen. Beispielsweise setzen Druckaufnehmer einen Druck in einem gasförmigen oder flüssigen Medium in eine Widerstandsänderung von Dehnungsmeßstreifen um und weisen hierzu eine Membran oder eine Plattenfeder auf, die bei Nenndrücken von 10 bar und mehr üblicherweise unmittelbar mit Dünnfilmdehnungsmeßstreifen bestückt werden. Vier Dehnungsmeßstreifen werden hierbei zu einer Vollbrücke verschaltet, wobei jeweils 2 Dehnungsmeßstreifen, die bei der Verformung der Membran gleichsinnig beansprucht werden, z.B. gestaucht werden, näher am eingespannten Rand der Membran liegen, als zwei im entgegengesetzten Sinn beanspruchte, bspw. gedehnte Dehnungsmeßstreifen, die in der Mitte der Membran oder — bei Druckaufnehmer mit verstärktem Membranmittelteil — jedenfalls weiter vom Einspannrand der Membran entfernt angeordnet sind, als die erstgenannten Dehnungsmeßstreifen. Die Anordnung und Wirkungsweise ist hierbei unabhängig ob es sich um Kraft-, Druck-, Beschleunigungs- oder zur Momentenmessung eingesetzte Meßumformer handelt.

Sind die auf den Meßaufnehmer bzw. Aufnehmer einwirkenden mechanischen Größen geringer, so muß zwangsläufig auch die die Dehnungsmeßstreifen tragende Einrichtung, im vorliegenden Fall eine Membran oder eine Biegefeder, um so dünner ausgestaltet werden je geringer die Einwirkung ist. Auch hierbei sind von den zu einer Vollbrücke verschalteten vier Dehnungsmeßstreifen zwei näher am eingespannten Rand angeordnet, als die beiden anderen.

Beim Anlegen der Speisespannung entsteht in den Dehnungsmeßstreifen Wärme (Joulesche Wärme), die bei der üblichen Speisespannung von 10 Volt und dem üblichen Dehnungsmeßstreifenwiderstand von 350 Ohm bereits so groß ist, daß wegen der verhältnismäßig schlechten Wärmeleitung der für derartige Membranen verwendeten Materialien, bspw. Edelstahlen, Temperaturunterschiede in den Membranen entstehen. Die Membranen werden durch die Dehnungsmeßstreifen aufgeheizt, die so entstehende Wärme fließt durch die Membran zum Einspannrand hin ab. Die Dehnungsmeßstreifen, die in unterschiedlichem Abstand zum Einspannrand hin angeordnet sind nehmen unterschiedliche Temperaturen an, weil bei gleicher erzeugter Wärmemenge in jedem Dehnungsmeßstreifen der Wärmeableitwiderstand vom Dehnungsmeßstreifen zum Einspannrand unterschiedlich ist. Diese unterschiedliche Temperatur der Dehnungsmeßstreifen führt wegen des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes zu unterschiedlichen Widerstandsänderangen der Dehnungsmeßstreifen. In der Art wie die Dehnungsmeßstreifen zu einer Vollbrücke verschaltet sind addieren sich diese Widerstandsänderungen und führen zu einer Brückenverstimmung.

Ein Temperaturgleichgewicht stellt sich in der Membran nur verhältnismäßig langsam ein. Der Aufnehmer zeigt dann eine Nulldrift beim Einschalten, die sich bspw. bei 10 Volt Speisespannung über einige Minuten* erstreckt. Dadurch können sich Meßfehler in der Größenordnung von bspw. 5% des Nennwertes ergeben. Wenn der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes der Dehnungsmeßstreifen darüberhinaus auch noch von der Temperatur abhängt, dann wird außerdem der Temperaturgang des Nullpunkts auch noch von der Speisespannung abhängig.

Dieselben Schwierigkeiten ergeben sich bei der Anbringung von Dehnungsmeßstreifen auf der Biegefeder. Auch hierbei müssen zwei Dehnungsmeßstreifen der Vollbrücke näher am Einspannrand angeordnet werden, wo die Wärmeableitung besser ist, während zwei Dehnungsmeßstreifen weiter vom Einspannrand entfernt liegen, wo die Wärmeableitung schlechter ist

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Aufnehmer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß alle Dehnungsmeßstreifen stets gleiche Temperatur annehmen und zwar unabhängig von der Lage des jeweiligen Dehnungsmeßstreifens zum Einspannrand.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unterschiedliche Wärmeableitwiderstände durch

unterschiedliche Flächenausdehnungen der Dehnungsmeßstreifen angeglichen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung lehrt, daß die näher am Rand der Membran angeordneten Dehnungsmeßstreifen eine kleinere Flächenausdehnung besitzen, als die weiter davon entfernten.

In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann eine Änderung des Wärmeableitwiderstandes der im Bereich besserer Wärmeableitung liegenden Dehnungsmeßstreifen auch dadurch erreicht werden, daß näher am Rand applizierte Dehnungsmeßstreifen ein dichteres mäanderförmiges Meßgitter aufweisen, als die weiter vom eingespannten Rand entfernten Dehnungsmeßstreifen. Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß zwei näher am eingespannten Rand applizierte Dehnungsmeßstreifen nebeneinander liegen, während die weiter vom eingespannten Rand angeordneten in größerem Abstand zueinander liegen. Bei den näher am eingespannten Rand liegenden Dehnungsmeßstreifen überlappen sich dabei deren Erwärmungszonen, was zu der gewünschten Temperaturangleichung führt.

Eine Weiterbildung des Anmeldungsgegenstandes zeichnet sich dadurch aus, daß die Biegefeder aus mehreren Stegen besteht, die ein Mittelstück mit dem Einspannrand verbinden und daß die näher am Einspannrand angeordneten Dehnungsmeßstreifen tragenden Stege schmaler und oder dünner ausgeführt sind, als die Stege die die weiter vom Einspannrand entfernt liegenden Dehnungsmeßstreifen tragen. Durch diese Maßnahme werden bei der Biegefeder wie bei der Membran die Wärmeableitwiderstände aneinander angeglichen.

In noch weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß seitlich neben den näher am Einspannrand angeordneten Dehnungsmeßstreifen Schlitze in der Biegefeder vorgesehen sind. Durch die Anordnung von Schlitzen wird ebenfalls eine Angleichung der Wärmeableitwiderstände erreicht.

Die Erfindung läßt sich für Kraft-, Druck-, Drehmoment- und Beschleunigungsaufnehmer gleichermaßen gut einsetzen; sie wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgebrochen, eine Membran in einem Aufnehmer mit unmittelbar auf der Membran angeordneten Dehnungsmeßstreifen,

F i g. la die aus den Dehnungsmeßstreifen geschaltete Vollbrücke im Schaltbild,

Fig.2 in perspektivischer Darstellung, teilweise aufgebrochen, eine Membran in einem Aufnehmer für verhältnismäßig kleine Drücke, wobei die Dehnungsmeßstreifen an einer mit der Membran verbundenen Biegefeder angebracht sind,

F i g. 3 eine Membran mit verstärktem Mittelteil im Schnitt,

F i g. 4 eine Membran nach F i g. 3 in der Draufsicht,

F i g. 5 eine Ansicht ähnlich der F i g. 4 mit abgewandelter Anordnung der Dehnungsmeßstreifen,

Fig.6 eine aus einer Federplatte ausgeschnittene Biegefeder mit Dehnungsmeßstreifen,

Fig.7 eine aus vier Federstegen und einem verstärkten Mittelteil bestehend, aus einer Plattenfeder ausgeschnittene Biegefeder mit Dehnungsmeßstreifen und

Fig.8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Die in F i g. 1 gezeigte Membran 1 weist einen verdickten Einspannrand 2 auf und trägt Dehnungsmeßstreifen 3 und 4, die bei der Verformung der Membran 1, bspw. durch den zu messenden Druck ρ entgegengesetzt beansprucht werden. Die näher zur Membranmitte liegenden Dehnungsmeßstreifen 3 werden gedehnt, während die näher am Einspannrand 2 liegenden Dehnungsmeßstreifen 4 (von denen nur einer in F i g. 1 gezeigt ist) gestaucht werden.

Aus dem Schaltbild in Fig. la erkennt man, daß die gleichsinnig beanspruchten Dehnungsmeßstreifen jeweils diametral in der Vollbrücke geschaltet sind.

Die einzelnen Leiter der mäanderförmig ausgeführten Dehnungsmeßstreifen3 liegen in größerem Abstand zueinander als die Leiter der ebenfalls mäanderförmig ausgeführten Dehnungsmeßstreifen 4.

Das in Fig.2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Beispiel nach F i g. 1 dadurch.daß die Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 an einer Biegefeder 5 angebracht sind, deren eines Ende mit dem Einspannrand 2 und deren anderes Ende mit der Mitte der Membran 1 verbunden ist Die Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 sind auch hier in einer Vollbrücke nach Fig. la geschaltet. Bei den näher am Einspannrand 2 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 4 liegen die (nicht dargestellten) Leiter dichter aneinander als die Leiter der weiter vom Einspannrand 2 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 3. Druckaufnehmer der in F i g. 2 vereinfacht skizzierten Bauart werden üblicherweise für niedrige Nenndrücke, bspw. unter 10 bar verwendet, während Druckaufnehmer der in F i g. 1 skizzierten Bauart überwiegend für höhere Nenndrücke verwendet werden.

Wird der Aufnehmer nach F i g. 1 bzw. 2 mit einer Kraft oder mit einer Beschleunigung beaufschlagt, so wird, die Krafteinwirkung oder die Beschleunigungseinwirkung auf die Membran 1 oder auf die Biegefeder 5 übertragen.
Bei der in den Fig.3 bis 5 gezeigten Membranform mit verdicktem Membranmittelteil 6 ist der Abstandsunterschied der Dehnungsmeßstreifen 3 bzw. 4 zum Einspannrand 2 geringer; hierbei macht sich ein unterschiedlicher Wärmeableitwiderstand störend bemerkbar. Deshalb werden auch hier die Leiterabstände bei den innen liegenden Dehnungsmeßstreifen 3 größer gewählt als bei den außen liegenden Dehnungsmeßstreifen 4, um einen gleichen Wärmeableitwiderstand zu erreichen. Bei dem in Fig.5 gezeigten Beispiel wird diese Wirkung noch dadurch erhöht, daß die außen liegenden Dehnungsmeßstreifen 4 so nahe beieinander angeordnet werden, daß sich ihre Erwärmungszonen überlappen.

Auch wenn bei der in F i g. 2 im Prinzip dargestellten Aufnehmerbauart die Biegefeder 5 an ihren beiden Enden am Einspannrand 2 eingespannt wird, ergibt sich ein unterschiedlicher Wärmeableitwiderstand der Dehnungsmeßstreifen 3 bzw. 4 der durch unterschiedliche Leiterabstände kompensiert wird, um eine gleiche Temperatur aller zu einer Vollbrücke zusammengeschalteten Dehnungsmeßstreifen zu erreichen. Bei dem in F i g. 6 gezeigten Beispiel ist die Biegefeder 5 durch schmale Schlitze 7 aus einer Plattenfeder herausgeschnitten, bspw. durch Ätzen, wobei die stehengebliebenen Bereiche 8 der Plattenfeder zur Aufnahme von Abgleich-Widerständen verwendet werden können. Die Biegefeder 5 ist in ihrem Mittelabschnitt mit der Mitte der (hier nicht dargestellten) Membran verbunden. Neben den nahe am Einspannrand 2 liegenden

Dehnungsmeßstreifen 4 sind bei dem Beispiel nach F i g. 6 in der Biegefeder 5 kleine Schlitze 9 vorgesehen. Das in Fig.7 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Beispiel nach F i g. 6 dadurch, daß die Biegefeder vier Stege 5.1 und 5.2 aufweist, die ein Mittelstück 53 mit dem Einspannrand 2 verbinden. Die Federstege 5.1, die die näher am Einspannrand 2 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 4 tragen, sind schmaler ausgeführt als die Stege 5.2, die die weiter vom Einspannrand 2 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 3 tragen. Dadurch wird für die Dehnungsmeßstreifen 3 eine Verbesserung der Wärmeableitung erreicht, die so groß sein kann, daß beide Gruppen von Dehnungsmeßstreifen 3 bzw. 4 auch auf gleicher Temperatur gehalten werden. Es ist aber auch möglich (wie beim Beispiel in F i g. 7 gezeigt), die außen liegenden Dehnungsmeßstreifen 4 ebenfalls mit kleinerem Leiterabstand anzuführen als die innen liegenden Dehnungsmeßstreifen 3, so daß die Kompensation der unterschiedlichen Wärmeableitung teilweise durch die Stegbreite bzw. -dicke und teilweise durch den Leiterabstand herbeigeführt wird.

Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen werden vorzugsweise Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen verwendet; die erläuternden Maßnahmen können aber ebenso bei anderen Ausführungsformen von Dehnungsmeßstreifen durchgeführt werden.

Bei den in den F i g. 6 bis 8 gezeigten Ausführungsformen der Biegefeder ergibt sich der Vorteil, daß diese einfacher hergestellt werden können als die herkömmlichen Biegefedern, und daß sie bereits mit dem Einspannrand 2 eine Einheit bilden. Das Einschweißen in eine Nut, die mit hoher Genauigkeit vorgearbeitet sein muß, entfällt; es gibt keine Schweißnähte, die den Wärmeabfluß von den auf der Biegefeder angebrachten Dehnungsmeßstreifen behindern. Außerdem können auf den verbleibenden Randsegmenten 8 bspw. aus Metallfolie geätzte Widerstandsnetzwerke aufgeklebt werden für die verschiedenen notwendigen Abgleichmaßnahmen. Die Kompensationswiderstände für den Temperaturgang des Nullpunkts haben dann weitge-

hend dieselbe Temperatur wie die Dehnungsmeßstreifen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßumformer mit einer mit der zu messenden mechanischen Größe beaufschlagten Membran, deren Verformung mittels Dehnungsmeßstreifen in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und die einen verdickten Einspannrand aufweist, wobei die Dehnungsmeßstreifen an der Außenseite der Membran oder einer mit der Membran verbundenen Biegefeder angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Wärmeableitwiderstände durch unterschiedliche Flächenausdehnungen der Dehnungsmeßstreifen angeglichen werden.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß näher am Rand applizierte Dehnungsmeßstreifen ein dichteres mäanderförmiges Meßgitter aufweisen als die weiter vom eingespannten Rand angeordneten.

3. Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei näher am eingespannten Rand applizierte Dehnungsmeßstreifen nebeneinander liegen, während die weiter vom eingespannten Rand angeordneten in größerem Abstand zueinander liegen.

4. Meßumformer nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder aus mehreren Stegen besteht, die ein Mittelstück mit dem Einspannrand verbinden und daß die die näher am Einspannrand angeordneten Dehnungsmeßstreifen tragenden Stege schmaler und/oder dünner ausgeführt sind, als die Stege die die weiter vom Einspannrand entfernt liegenden Dehnungsmeßstreifen tragen.

5. Meßumformer nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich neben den näher am Einspannrand angeordneten Dehnungsmeßstreifen Schlitze in der Biegefeder vorgesehen sind.