DE2608381C2 - Meßumformer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrfft 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 Monentenmessung
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 Wanne 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 Widerstandsänderungen
der Dehnungsmeßstreifen, hi 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 Flachenausdehnung besitzen, als die weiter davon entfernten.
In WeiterfOhrung des Erfindungsgedankens kann eine
Änderung des Wärmeableitwiderstandes der im Bereich besserer Wärmeableitung liegenden Dehnungsmeßstreifen
auch dddurch 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,
Fig.3 eine Membran mit verstärktem Mittelteil im
Schnitt,
Fi 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 I weist einen verdickten Einspannrand 2 auf und trägt Dehnungsmeßstreifen
3 und 4, die bei der Verformung der Membran l, 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 Fi g. la erkennt man, daß die gleichsinnig beanspruchten Dehnungsmeßstreifen jeweils
diametral in der Vollbrücke geschaltet sind.
Die einzelnen Leiter der mäanderformig ausgeführten Dehnungsmeßs<reifen 3 liegen in größerem Abstand
IS 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 ι.ια 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 Fig.2 vereinfacht skizzierten Bauart werden üblicherweise für
niedrige Nenndrücke, bspw. unter 10 bar verwendet, während Druckaufnehmer der in F i g. 1 skizzierten
werden.
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 F i g. 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.
Bei der in den F i g. 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 Aufnel'msrbauart die Biegefeder 5 an ihren beiden
Enden am Einspannrand 2 eingespannt wird, ergibt svch ein unterschiedlichei 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 EinsnannranH 1 WeapnApn
Dehnungsmeßstreifen 4 sind bei dem Beispiel nach F i g. 6 in der Biegefeder 5 kleine Schlitze 9 vorgesehen.
Das in F i g. 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 Einjpannrand 2 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 3
tragen. Dadurch wird für die Dehnungsmeßstreifen 3 eine Verbesserung der Wärmepbleitung 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 Ausfuhrungsbeispielen werde vorzugsweise Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen verwen
det; die erläuternden Maßnahmen können aber eben» bei anderen Ausführungsformen von Dehnungsmeß
streifen durchgeführt werden.
Bei den in den F i g. 6 bis 8 gezeigten Ausführungsfor men der Biegefeder ergibt sich der Vorteil, daß dies
einfacher hergestellt werden können als die herkömmli chen Biegefedern, und daß sie bereits mit den
ίο Einspannrand 2 eine Einheit bilden. Das Einschweiße)
in eine Nut, die mit hoher Genauigkeit vorgearbeite sein muß, entfällt; es gibt keine Schweißnähte, die de
Wärmeabfluß von den auf der Biegefeder angebrachte Dehnungsmeßstreifen behindern. Außerdem könnei
auf den verbleibenden Randsegmenten 8 bspw. au Metallfolie geätzte Widerstandsnetzwerke aufgekleb
werden für die verschiedenen notwendigen Abgleich maßnahmen. Die Kompensationswiderstände für dei
Temperaturgang des Nuiipunkts haben dann weitge hend dieselbe Temperatur wie die DehnungsmeBstrei
fen.
Claims (5)
1. Meßumformer mit einer mit der zu messenden mechanischen Größe beaufschlagten Membran, s
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 mäanderformiges 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 tragende: Stege schmaler und/oder dünner
ausgeführt sind, als die Stege die die weiter vom Einspannrand entfernt Jiegenden 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.
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