DE2810412C2

DE2810412C2 - Elektromechanischer Meßwertaufnehmer mit einer Krafteinleitung

Info

Publication number: DE2810412C2
Application number: DE19782810412
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Paetow
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1978-03-10
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2810412A1

Description

Die Erfindung betrifft einen »Iektromechanischen Meßwertaufnehmer mit einer Krafteinleitung und mehreren elektromechanischen Wandlerelementen, de- jn ren Ausgangssignale zu einem Signal zusammengefaßt sind, wobei mindestens zwei Wandlerelemente in Bezug auf eine zu korrigierende Fehlerart und in Abhängigkeit von der sie beaufschlagenden Kraft ein definiert unterschiedliches Verhalten aufweisen. ·,-,

Ein derartiger Meßwertaufnehmer ist aus der DE-OS 21 41 292 bekannt. Dort sind in einer Brückenschaltung jeweils zwei Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen einander zugeordnet, von denen einer gedehnt und der andere gestaucht wird, wodurch die Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen eine unterschiedliche Kennlinie erhalten. Durch diese Anordnung läßt sich die Linearitätsabweichung der Dehnungsmeßstreifen verringern. Diese Anordnung ist auf Grund der speziellen Eigenschaften der Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen nur für Halbleiter- « Dehnungsmeßstreifen verwendbar, außerdem ist die damit erzielbare Linearität außerordentlich schlecht.

Die US-PS 30 84 542 und die DEAS 12 11810 befassen sich mit der Linearisierung einer Kraftmeßdose durch Hintereinanderschaltung einer Zugmeßdose vi und einer Druckmeßdose. Wandlerelemente mit unterschiedlichem Verhalten in Abhängigkeit von der sie beaufschlagenden Kraft und eine unterschiedlich wählbare Krafteinleitung sind nicht offenbart.

Weiterhin betreffen die vom Hersteller angebrachten v, Korrekturmaßnahmen bei Meßwertaufnehmern für mechanische Größen im wesentlichen die Meßcharakteristik selbst, beispielsweise die Linearität oder das Temperaturverhalten des Nullpunktes oder des Meßsignals sowie das Zeitverhalten, welches sich in der Hysterese oder im Kriechen des Meßwertaufnehmers ausdrückt,

Selbstverständlich wird man schon in der Konstruktion und Herstellung des Meßsystems alles tun, um diese Fehler zu verringern. Insbesondere durch die Streuung in der Genauigkeit der zu verwendenden Wandlerele* mente sind dieser Fehlerkorrektur jedoch Grenzen gesetzt.

Einige dieser Korrekturen lassen sich heute — bei entsprechendem Aufwand — nahezu beliebig weit treiben, z. B. durch wiederholtes Messen und anschließendes Verstellen oder Neuanbringen des Korrekturmittels. Problematisch bleiben jedoch alle die Fälle, wo eine Korrektur insbesondere im fertiggestellten, meßfähigen Zustand des Systems notwendig ist, wo also eine Verbesserung nur durch ganzen oder teilweisen Neuaufbau erzielt werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ha* sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, Fehler eines elektromechanischen Meßwertaufnehmers, die insbesondere in den Wandlerelementen und in dem mechanischen Teil begründet sind, weiter zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ort der Krafteinleitung senkrecht zur riauptkraftrichtung derart gewählt ist, daß die Wandlerelemente entsprechend der zu korrigierenden Fehlerart so mit Teilkräften beaufschlagt sind, daß der zu korrigierende Fehler kompensiert wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist nunmehr die Möglichkeit gegeben. Fehler auch nachträglich ohne weitgehenden Neuaufbau des ivießwenaufnehmers zu korrigieren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn mit mindestens einem Wandlerelement eine elektrische Widerstandskombination so zusammengeschaltet ist, daß das Ausgangssignal des Wandlerelements abgeschwächt wird.

Durch Vorsehen einer derartigen Widerstandskombination, die mit einem Wandlerelement zusammenwirkt, läßt sich dessen Wirkung abschwächen, so daß das Gesamtsignal von dem abgeschwächten Wandlerelement einen geringeren Signalanteil erhält.

Die Figuren zeigen schematisch Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigen

Fig. 1 einen elektromechanischen Meßwertaufnehmer des Biegebalkentyps

Fig. 2 einen elektromechanischen Meßwertaufnehmer des Biegebalkentyps mit Kraftrückführung

Fig. 3 einen elektromechanischen Meßwertaufnehmer mit mehreren axial belastbaren j! äben und

F i g. 4 einen Schnitt gemäß Linie AA durch F i g. 3.

In Verbindung mit F i g. 1 wird die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert. Hierbei gilt in gröbster Vereinfachung folgendes: ein Meßsystem wird mit mehreren zusammenwirkenden Wandlerelementen ausgerüstet, die in Bezug auf eine zu korrigierende Eigenschaft definiert unterschiedliches Verhalten zeigen. Darüber hinaus ist das gesamte System so auszubilden, daß die Beaufschlagung der einzelnen Wandlerelemente durch die Eingangsgröße, das heißt durch die Meßgröße, in einem nachträglich einstellbaren Verhältnis erfolgen kann.

Gemäß Fig. 1 wird eine Meßfeder 1 mit den Wandlerelementen, hier Dehnungsmeßstreifen, 3 und 4 appliziert, wobei beispielsweise Dehnungsmeßstreifen 3 im Hinblick auf eine kristische F.igenschaft z. B. die Hysterese, das Kriechen, den Temperaturgang oder auf den K-Faktor unterschiedlich gegenüber dem Dehnungsmeßstreifen 4 ist. Durch die gegebene unterschiedliche F.igenschaft beider Dehnungsmeßstreifen zueinander ist es nun möglich, die Mitte 6 der Krafleinleitung 5, die in vereinfachter Form als Sacklochbohrung dargestellt ist, auf der Meßfeder 1 so zu wählen, daß sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 im Hinblick auf die kritische Eigenschaft gegenseitig aufheben. Dazu ist es erforderlich, daß die Krafteinleitung 5 parallel zur

Ebene der Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 am freien Ende des Biegebalkens verschiebbar, wie mit dem Doppelpfeil 8 angegeben, angeordnet ist. Wird beispielsweise in einer Probebelastung mit der Last P festgestellt, daß sich für den zunächst gewählten Lastangriffspunkt 10 die kritischen Eigenschaften der beiden Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 nicht ausreichend ausgleichen, kann zunächst durch Verschieben der Last Pin Richtung auf die Last /"festgestellt werden, welche Stelle am besten für die Krafteinleitung geeignet ist. Wie in Fig. 1 beschrieben, Iäi3t sich somit der günstigste Ort für die Krafteinleitung nach dem Zusammenbau des elektromechanischen Meßwertumformers sehr wohl definiert anbringen, so daß bei anschließender Krafteinwirkung auf die Krafteinleitung das durch Zusammenschalten der Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 gewonnene Meßsignal nicht mehr von der unerwünschten Eigenschaft des Meßwertaufnehmers beeinflußt ist. Die Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 auf dem für eine Kraftmessung vorgesehenen Biegestab, der als Meßfeder 1 dient, sind elektrisch zu einer Halbbrücke geschaltet, wodurch ihr Gesamtsignal der Differenz der beiden Einzelsignale entspricht. Solange die Last P sich rechts vom Dehnungsmeßstreifen 4 bewegt, bleibt das <Jesamtsignal konstant, wenn der Biegebalken konstanten Querschnitt hat.

Haben nun beide Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 sonst völlig gleiche Eigenschaften mit einer Ausnahme, daß der Dehnungsmeßstreifen 4 beispielsweise stärker kriecht, so ist verständlich, daß bei Verschieben der Last P von P nach P' die Kriecheigenschaft des Dehnungsmeßstreifens 4 stärker zur Wirkung gebracht wird. Ein Zahlenbeispiel kann dies veranschaulichen:

Bei Lastangriff Pwie in F i g. 1 dargestellt, erfährt der Dehnungsmeßstreifen 3 eine Dehnung von 2,1 χ 10 ^J, hingegen der Dehnungsmeßstreifen 4 eine Dehnung von 0,1x10'. Diese verschiedene Dehnung tritt zufolge der verschiedenen Hebelarme zwischen der Last P und den Dehnungsmeßstreifen 3 bzw. 4 auf. Nunmehr besitzen die Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 beispielsweise verschiedene Kriecheigenschaften, die unabhängig von den Hebelarmen sind. So möge Dehnungsmeßstreifen 3 in 15 Minuten 0,01% von seiner Belastung kriechen, während Dehnungsmeßstreifen 4 in derselben Zeit ein Kriechen von 0,1% aufweist. Aufgrund dieser Tatsache ergibt sich dann am Dehnungsmeßstreifen 3 ein Kriechsipnal von 2.1 χ 10 ⁷. am Dehnungsmeßstreifen 4 dagegen ein Kriechsignal von 1 χ 10 '. Es entsteht also bei Zusammenschalten der beiden Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 zu einer Halbbrücke aufgrund der Differenzbildung ein gesamtes Kriechsignal von 1,1 χ 10 '. Wird nun die Last nach P' verlagert, so möge am Dehnungsmeßstreifen 3 eine Dehnung von 2.5 χ 10 ' auftreten und am Dehnungsmeßstreifen 4 eine solche von 0.5 χ 10 '. Die entsprechenden Kriechsijrnale sind dann 2,5x10 ' und 5x10 ', woraus sich ein Summen-Kriechfehler von - 2,5 χ 10 ' ergibt. Aufgrund der Verschiebung der Last von P nach P' wird also eine Änderung im Knech/ustand gegenüber dem ersten Zustand erreicht. der im Zahlenbeispiel ausgedrückt, einen Unterschied von =J,bx 10 ' aufweist. Daraus ergibt sich, daß der Fehler durch das Verschieben des Lastangriffspunktes korrigiert werden kann, so daß das durch Zusammen^ schalten der beiden Dehnungsmeßstreifen und unterschiedlichem Verhalten gewonnene Gesamtsignal fehlerfrei werden kann,

Fig. 2 stellt eine weitere Konfiguration einer Meßfehler 1 dar, wobei die Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 auf einem Biegebalken 20 im Abstand voneinander angeordnet sind, der Biegebalken 20 an einer Wand 21, wie auch der in Fig. 1, fest verankert ist und über ein

ι knieförmiiges Winkelstück in einem Rücksprung 22 endet. Ann Rücksprung 22 wirkt nun wieder die Last P und entsprechend den vorgegebenen unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 in Bezug auf eine kritische Größe ist es durch

ίο Verschieben der Last P nach P'im zusammengebauten Zustand des Meßwertaufnehmers möglich, die Krafteinleitung 5 an der Stelle anzubringen, für die sich die schädlichen Wirkungen der Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 gegenseitig aufheben.

Wie in Fig. 3 dargestellt, läßt sich die Erfindung jedoch nicht nur auf Meßfedern anwenden, die im wesentlichen wie Biegefedern ausgebildet sind, sondern auch auf völlig andere Verformungskörper. Dabei ist es für die Anwendung unerheblich, ob diese Verformungskörper als Säulen, welche die Wandlerelemente tragen, ausgebildet sind oder ob es sich hierbei um stegförmige Verbindungen zwischen einem ze,, 'alen Einleitungspunkt und einem äußeren Rand handeL Es ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung insofern nicht eingeschränkt ist auf Biegung, sie kann sehr woh' auch angewendet werden, wenn es sich um Meßkörper handel' die der Scherung oder der axialen Beanspruchungunterliegen.

So werden gemäß Fig. 3 drei Druckstäbe 30, 31 und

jn 32 axial über eine Krafteinleitung 33 mit einer Last P beaufschlagt. Die Druckstäbe 30, 31 und 32 stehen hierbei auf einer Gegenkrafteinleitung 34, daß im vorliegenden Falle eine axiale Belastung der Stäbe durch die Last P auftritt. Jeder der Druckstäbe 30, 31

Ji und 32 besitzt mindestens zwei Wandlerelemente, wobei beispielsweise der Druckstab 30 Dehnungsmeßstreifen 35 besitzt, die in Verbindung mit dem Druckstab positiven Linearitätsfehler aufweisen, der Druckstab 32 dagegen Dehnungsmeßstreifen 40 trägt, die im Zusammenwirken mit dem Druckstab negativen Linearitätsfehler ergeben. Soll nunmehr der Linearitätsfehler noch nach dem Zusammenbau des kompletten Meßwertaufneiimers 50 korrigiert werden, so ist, wie in den Fig. 1 und 2 bereits beschrieben, der Lastpunkt Pin Richtung des Lastpunktes P' zu verschieben bis die gewünschte Korrektur erreicht ist. An dieser Stelle kann dann nachträglich im zusammengebauten Zustand noch die Krafteinleitung 5 angebracht werden, sei es als Bohrung oder als Krafteinleitungsknopf, also exzentrisch gegenüber der geometrischen Mitte des kompletten Verformungskörpers.

Fig. 4 stellt einen Schnitt durch den kompletten Verformungskörper 50 längs der Linie A -A dar und zeiet gleichzeitig, wie durch Anordnen von drei Druckstäben

Y-, 30, "¹U, 32 außer einer ersten noch eine weitere Fehlergröße berücksichtigt werden kann, beispielsweise kann Druckstab Sl mit Dehnungsmebs! reifen 51 versehen sein, die sich im Hinblick auf den Kriechfehler unterscheiden von den Dehnungsmeßstreifen 35 und 40.

ho Es ist leicht einzusehen, daß nunmehr die Krafteinleitung 5 auf der gesamten Ebene der Krafteinleitung verschoben werden kann, um, wie in diesem Beispiel, die Nicht-Linearität und das Kriechverhalten t«uf ein Minimum herunterzudrücken, und zwar nach dem

μ Zusammenbau des Meßwertumformers.

Durch eine Widerstandskombination 53, die beispielsweise mit einem Dehnungsmeßstreifen 51 zusammenwirkt, läßt sich darüber hinaus noch das Teilausgangssi·

gnal abschwächen, so daß beispielsweise hierdurch die Krafteiiueilufig 5 an eine andere Stelle gerückt werden kann. Wie aus der Beschreibung ersichtlich, läßt sich dadurch am fertigen MeDwertaufnehmer eine genaue Korrektur evtl. vorhandener Fehler bewirken.

Statt Dehnungsmeßstreifen können auch alle änderen zur Messung der Dehnung geeigneten Wandlerelemente verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromechanischen Meßwertaufnehmer mit einer Krafteinleitung und mehreren elektromechanisehen Wandlerelementen, deren Ausgangssignale zu einem Signal zusammengefaßt sind, wobei mindestens zwei Wandlerelemente in Bezug auf eine zu korrigierende Fehlerart und in Abhängigkeit von der sie beaufschlagenden Kraft ein definiert unterschiedliches Verhalten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der Krafteinleitung senkrecht zur Hauptkraftrichtung derart gewählt ist, daß die Wandlerelemente entsprechend der zu korrigierenden Fehlerart so mit Teilkräften beaufschlagt sind, daß der zu korrigierende Fehler kompensiert wird.

2. Elektromechanischer Meßwertaufnehmer nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem Wandlerelement eine elektrische Widerstandskombination so zusammengeschaltet ist, daß das Ausgangssignal des Wandlerelements abgeschwächt wird.