DE2915104A1

DE2915104A1 - Dehnungsmessgeraet

Info

Publication number: DE2915104A1
Application number: DE19792915104
Authority: DE
Inventors: Harukichi Honda; Toshiya Kawada; Yoshiyuki Tsujitsugu
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 1978-04-18
Filing date: 1979-04-12
Publication date: 1979-10-25
Also published as: FR2423764B1; US4404856A; FR2423764A1; JPS54137370A; JPS5834761B2; DE2915104C2

Description

MAXIMILIANSTRASSE «3

13 744.

KYOWA ETaEGTRONIC INSTRUMENTS CO., Ltd. No. 5-1, 3-Chome, Cliofugaoka, Chnfu City, Tokyo/Japan

Dehnungsmeßgerät

Die Erfindung betrifft ein Dehnungsmeßgerät, "bei dem der Dehnungs—Meßbereich ohne weiteres umgeschaltet werden kann und "bei dem der Einfluß der Drift spannung, die in derBriieken-Stromquelle des Dehnungsmeßgerätes erzeugt wird, "bei dem"eine Wheatstone·sehe Eiückenschaltung verwandt wird, und der Einfluß. der thermischen, elektromotorischen Kraft ausgeschlossen werden kann, welche innerhalb der Wheatstone'schenBriiekenschaltung oder außerhalb von dieser induziert bzw. hervorgerufen wird.

Bei einem herkömmlichen Dehnungsmeßgerät, welches eine Wheatstone' sche-Brückenschaltung (im folgenden als Briickenschaltung abgekürzt) verwandt wird, kann ein genauer Meßwert nicht erhalten werden^ wenn eine thermische, elektromotorische Kraft an Verbindungen innerhalb oder außerhalb des Brückenschaltkreises erzeugt wird, da eine solche thermische, elektromotorische Kraft auf das Meßsystem wirkt bzw. an diesem anliegt und zwar neben der erwünschten, unausgeglichenen Spannung, welche

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TELEFON (OBS) 392862

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der Größe der zu messenden Dehnung proportional ist.

Verschiedene Einrichtungen sind bisher bekannt/geworden, um einen solchen nachteiligen Einfluß der thermischen, elektromotorischen Kraft auszuschließen. Beispielsweise ist ein Dehnungsmeßgerät bekannt, bei dem die Polarität der Brücken-Stromquelle, die der Erregung der Brückenschaltung dient, bei zwei aufeinanderfolgenden Messungen umgekehrt wird und wobei die erhaltenen Meßwerte voneinander abgezogen und durch zwei dividiert werden, um die thermische, elektromotorische Kraft zu eliminieren. Ferner ist ein Meßgerät bekannt, bei dem eine erste Messung durchgeführt wird, wobei eine Err egungs spannung dem Brücken schaltkreis aufgeprägt wird und anschließend wird eine zweite Messung unter der Bedingung durchgeführt, daß die Erregungsspannung abgeschaltet wird und der so erhaltene zweite Meßwert von dem ersten Meßwert subtrahiert wird, um den Einfluß der thermischen, elektromotorischen Kraft auszuschließen.

Zu deren Verständnis werden solche herkömmlichen Meßgeräte näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm einer Brückenschaltung mit Dehnungsmessern. Wenn angenommen wird, daß der. Widerstand der Dehnungsmesser E ist und eine Erregungsspannung (Bezugsspannung) E an der Brücke liegt, und sich der Widerstand E der Dehnungsmesser proportional zu der Größe der Dehnung £ ändert, dann wird eine unabgeglichene Spannung e erhalten, welche durch, die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden kann:

Hierin bedeutet K« den Dehnungsfaktor bzw· den K-Faktor der Dehnungsmesser. Im praktischen Fall können verschiedene Fehler-

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Ursachen einwirken, und diese Ursachen addieren sich, zu dem Wert und der Wert ergibt sich nicht gemäß Gleichung (1). Ein solches praktisches Beispiel wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 erläutert.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Dehnungsmeßgerätes, "bei dem die Erregungsspannung der Brückenschaltung: umgepolt wird. Dieses Gerät weist eine Brücken-Stromquelle zum Erregen der Brücken schaltung auf. Ferner sindjeine Bezugsspannung E, ein Trennverstärker 2 und eine zufällige Spannung Δ E vorgesehen, welche in den verschiedenen Teilen der Schaltung (nämlich äquivalent zur Drift spannung) erzeugt wird. Die Stromquelle 1 ist mit der Brücken schaltung 4- über einen Umpolungsschalter 3 verbunden.

Die Ausgangsspannung der Brückenschaltung 4-, zu der eine an Verbindungen innerhalb und außerhalb des Brückenschaltkreises 4- hervorgerufene thermische, elektromotorische Eäraft e- addiert ist, liegt an dem Eingang eines Voltmeters 5. Der gemessene Wert wird vorübergehend in einem Speicher 6 gespeichert, und dieser Wert wird mit einem anderen Meßwert verarbeitet, welcher unabhängig in einer Recheneinheit 7 gespeichert ist; der so verarbeitete und erhaltene Dehnungswert wird mit einer Anzeigeeinrichtung 8 angezeigt, wobei, die Steuerung des gesamten Vorganges durch eine Steuereinheit 9 erfolgt.

Zur Zeit der ersten Messung befindet sich der Polaritäts— umschalter 3 auf der a-Seite und die Brückenschaltung 4-wird von der Quelle 1 erregt. Am Ausgang der Brückenschaltung wird eine unausgeglichene Spannung e^ proportional zu der Größe der Dehnung erhalten, wobei diese Spannung den vorhergehend erwähnten Einfluß einschließen kann. Diese Spannung kann durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden:

_e;L = i-K_s-e-(E+AE)+e_t" j (2) 909843/0880 .!

ORIGINAL INSPECTED

In der obigen Gleichung bedeutet Δ E die Driftspannung der Quelle. Die anderen Bezeichnungen sind die gleichen wie die vorhergehend erklärten.

Dann wird der Umpolungsschalter auf die b-Seite gelegt und die Brückenschaltung 4 wird erregt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine weitere, unausgeglichene Spannung βρ an dem Ausgang erhalten, welche im wesentlichen der Größe der Dehnung proportional ist. Diese Spannung wird durch die folgende Gleichung (3) dargestellt.

^e2 ⁼ -

Die obigen Spannungswerte, wie sie durch die Gleichungen (2) und (3) dargestellt sind, werden jedesmal bei zwei aufeinanderfolgenden Messungen mit dem Voltmeter 5 gemessen, und die entsprechenden, gemessenen Werte werden in dem Speicher 6 gespeichert. Unter Verwendung der Recheneinheit wird von dem Meßwert e^ der Meßwert βρ subtrahiert und die Differenz wird durch 2 dividiert, um sie zu halbieren. Der so errechnete Wert e¹ ergibt sich aus der folgenden Gleichung

(E+AE)+e_tl-["J-Kg-e-(E+AE)+e_t]

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ORIGINAL

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Mit diesem "Vorgehen kann der Einfluß der th.ermisch.en elektromotorischen Kraft e^ entfernt werden.

Pig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines anderen, herkömmlichen Dehnungsmeßgerätes, welches von der Art ist, "bei dem die Erregungsspannung abgeschaltet wird. Dieser in Fig. 3 gezeigte Schaltkreis unterscheidet sich von dein in der Fig. gezeigten nur dadurch, daß ein Ausschalter 3' vorgesehen ist, mit dem die Quelle für die Erregungs spannung, welche der Brückenschaltung zugeführt wird, abgeschaltet wird, wenn der Schalter auf die b-Seite gelegt wird. Der übrige Teil des in Fig. 3 dargestellten Schaltkreises ist mit dem der Fig. identisch.

Wenn, der Ausschalter 3¹ auf die a-Seite gelegt wird, um die Bücken schaltung zu erregen, erhält man an ihrem Ausgang "eine unausgeglichene Spannung e,, die im wesentlichen der Größe der Dehnung proportional ist. Die Spannung &■, ergibt sin durch die folgende Gleichung (5):

e₃ = 1.K₅-C-(E₊AE)

Anschließend wird der Schalter 3* auf die b-Seite gelegt, um die Erregungsspannung abzuschalten. In diesem nicht erregten Zustand der Brückenschaltung wird eine Ein gangs spannung an dem Voltmeter mit einem Wert e^, erhalten, welcher durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt wird:

" ^et (6)

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ORiGiWAL INSPECTED

Die vorhergehenden Spannungswerte, die sich, durch die Gleichungen (5) tmd (6) ergeben, werden mit dem Voltmeter 5 gemessen und die entsprechenden Meßwerte werden in dem Speicher 6 gespeichert. Dann wird von dem durch die Gleichung (5) ausgedrückten Meßwert e, der durch die Gleichung (6) ausgedrückte Wert e^ subtrahiert. Der sich ergebende Wert e" wird durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt:

[J-Kg-ε-(Ε*ΔΕ)

(7)

Bei den vorhergehend erwähnten Dehnungsmeßgeräten, "bei denen die Erregungsspannung der Brückenschaltung umgepolt wird oder die Erregungsspannung der Brückenschaltung bei der zweiten Messung abgeschaltet wird, müssen in verschiedener Hinsicht die folgenden Nachteile berücksichtigt werden:

i) Obgleich der Einfluß der thermischen, elektromotorischen Kraft e. entfernt werden kann, wie es durch die Gleichungen (5) und (7) gezeigt wird, so kann der Einfluß der Driftspannung Δ Ε nicht entfernt werden·

ii) Hinsichtlich des Umpolschalters oder des Ausschalters für die Erregungsspannung ist ein Element mit einer kleineren Driftspannung, mit einem sehr kleinen Innenwiderstand und ferner mit einer großen Stromkapazität erforderlich. Dadurch wird der Schaltkreis kompliziert und teuer.

iii) Es ist notwendig, daß der Bereich der Größe der Dehnung umgeschaltet werden kann, insbesondere bei größeren Dehnungswerten. Dies erfordert, daß ein Widerstandsabschwächer vor dem Voltmeter oder ein getrennter Schaltkreis zur Verringerung der Bezugs spannung der Brücken-Erregungsstromquelle vorgesehen werden muß. Hierdurch wird das Gerät teuer.

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Eine Zielsetzung der Erfindung besteht darin, die vorhergehend erwähnten Nachteile bei herkömmlichen Dehnungsmeßgeraten auszuschließen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die der Brückenschaltung zugeführte Erregungsspannung veränderlich gemacht. Die von der Brücken schaltung erhaltenen Aus gangs spannungen werden verarbeitet, um den Einfluß der Driftspannung und der thermischen, elektromotorischen Kraft auszuschließen, die inneüalb oder außerhalb der Brückenschaltung hervorgerufen wird. Außerdem soll durch die Erfindung ein Gerät geschaffen werden, bei dem der Größenbereich der Dehnung sehr leicht umgeschaltet werden kann.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm einer Brücken schaltung, bei der Dehnungsmesser verwendet werden;

Pig. 2 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Dehnungsmeßgerätes, bei dem die Polarität der Erregungsspannung der Brückenschaltung umgekehrt wird,

Pig. 3 ein Blockdiagramm eines anderen, herkömmlichen. Dehnungsmeßgerätes, bei dem die Erregungsspannung der Brückehschaltung abgeschaltet wird, und

Pig. 4 ein Blöckdiagramm eines Dehnungsmeßgerätes, welches gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

Pig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Schaltkreis unterscheidet sich von dem in den Figuren 2 oder 3 gezeigtaa Schaltkreis lediglich durch die Stromversorgungsquelle 1* für die Brücke. Die übrigen Teile des Schaltkreises sind identisch. Die Stromversorgungsquelle V für die Brücke umfaßt

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eine Anzahl von verschiedenen Bezugs Spannungen S , E, und E In der Zeichnung sind diese Spannungen als drei tanabhängige Spannungsquellen dargestellt. Jedoch können die Spannungen E, und E von der gleichen Bezugs spannung E_ durch, deren Unterteilung abgeleitet werden, beispielsweise indem Wida?- standszweige oder ähnliche verwandt werden. DieQuelle 1' weist ferner einen Schalter 3" zur Spannungsänderung und einen Trennverstärker 2 auf. Die von dieser· Quelle Λ · gelieferte Quellenspannung enthält unvermeidlich eine zufällige Spannung, welche in dem Schaltkreis oder in dem Trennver— stärker 2 erzeugt wird, und zwar in der gleichen Weise wie bei den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Schaltkreisen. Die zufällige Spannung wird als Driftspannung bezeichnet und wird in äquivalenter Weise durch die Spannung Δ Ε ausgedrückt .

Eine erste Messung wird durchgeführt, wobei der Quellenspannung-Inderungsschalter 3" in die Stellung b gebracht wird, in der er mit einer Bezugs spannung E, verbunden ist, und die Brücken schaltung wird erregt. Die Aus gangs spannung ist im wesentlichen der Dehnung proportional und ist eine unausgeglichene Spannung e^, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird.

(8)

Anschließend wird der Spannungsquelle-Jinderungsschalter 3" in die Stellung c geschaltet, wobei er mit einer Bezugs spannung E„ verbunden wird, und die Brücken schaltung wird erregt. Die erhaltene, unausgeglichene Spannung e₆ wird durch die folgende Gleichung (9) angegeben:

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ORIGINAL INSPECTED

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Die in den Gleichungen (8) und (9) angegebenen Werte werden mit dem Voltmeter 5 gemessen und in dem Speicher 6 •gespeichert. Anschlißend wird von dem Meßwert er der Wert e₆ in der Recheneinheit 7 subtrahiert.. Dieser verarbeitete Wert e"¹ ergibt sich durch die folgende Gleichung (10):

^e5 ^e6

(E_b-E_c)

Wenn die eingestellten Bezugsspannungen E, und E so eingestellt sind, daß in der Gleichung (10) gilt E^-E₀ = E, oder wenn in der Recheneinheit 7 ein Faktor IT vorgesehen wird, damit (E,-E) :c Ή - E gilt, kann man ohne weiteres einen genauen Meßwert der unausgeglichenen Spannung richtig erhalten, der der Größe der Dehnung proportional ist, wie es ■ in Gleichung (1) angegeben ist.

Ein -veiterer Vorteil kann bei dem Meßgerät nach der vorliegenden Erfindung dadurch erhalten werden, daß die Beziehung zwischen den Bezugsspannungen E_,

und E_c in der folgenden Weise

festgelegt wird:

= E und

^Ea-

» 1OE

Um die vorhergehend erwähnte Beziehung darzustellen, können beispielsweise die folgenden praktischen Werte genommen werden:

E_a = 2.22 V

= 0.22 V = 0.02 V

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ORiGlNAL INSPECTED

Zuerst wird die Brückenschaltung 4- dadurch erregt, daß der Spannungsänderungsschalter 3" in die "b-Stellung mit der Be zugs spannung E^ gebracht wird, um an der Brückenschaltung eine Ausgangsspannurg e,- zu erzeugen, wie sie durch die Gleichung (8) angegeben ist. Venn festgestellt wird, daß der Wert der Ausgangsspannung e,- zu klein ist, wird der Spannungsänderungsschalter 3" in die a-Stelltmg geschaltet und dabei mit der Bezugsspannung E_ verbunden. Eine Ausgangsspannung βη ergibt sich zu diesem ZeitpunB; durch die folgende Gleichung (11) :

Ein Wert e"" wird dadurch erhalten, daß der Wert der Gleichung (8) von demjenigen der Gleichung (11) subtrahiert wird,wobei ein Wert e"" gemäß Gleichung (12) erhalten wird.

(12) - [J-K_s-e.CE_a+AE)₊e_t]-[f Ks-e-CEbÄEJ+l i

-Kg-e-lOE = lO-J-Kg-ε-Ε

Aus der Gleichung (12) ergibt sich, daß ein zehnfach.er Wert der erwünschten Dehnung erhalten werden kann, der keine zufällige thermische, elektromotorische Kraft, die innerhalb oder außerhalb der Wheatstone' schen-Brücken schaltung hervorge-

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ORiGIi-JAL INSPECTED

rufen wird, und keine Driftspannung der Stromquelle der Brückenschaltung enthält.

Wenn die unausgeglichene Spannung e^ einen Wert aufweist, der einen vorgegebenen Pegel überschreitet, kann die Messung gemäß der vorhergehenden Erklärung durchgeführt werden, die im Zusammenhang mit den Gleichungen (9) und (10) erfolgte. Wenn die unausgeglichene Spannung e,- einen äußerst großen Wert annimmt, durch den das Voltmeter 5 gesättigt "bzw. übersteuert wird, dann kann eine Anpassung des Übertretens des Meßbereiches erhalten bzw. abgeleitet werden, ohne die Spannungs— werte abzulesen, wie es durch die Gleichungen (9) und (10) oder (11) und (12) gezeigt ist.

Das vorhergehend erläuterte Dehnungsmeßgerät weist die folgenden Vorteile auf:

i) Wie man aus Gleichung (10) ersehen kann, kann nicht nur der Einfluß der thermischen, elektromotorischen Kraft in der Brückenschaltung, sondern auch die Drift Spannung der Spannungsversorgungsquelle für die Brücke ausgeschaltet bzw. entfernt werden, und man kann eine genau der Dehnung proportionale, unausgeglichene Spannung erhalten.

ii) Der oben erwähnte Einfluß der thermischen, elektromotorischen Kraft und die Driftspannung können lediglich dadurch ausgeschlossen werden, daß die Bezugs spannung veränderbar vorgesehen ist. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil einer einfachen Bereichsumschaltung der Große der Dehnung, sqjdaß die Meßzeit gekürzt werden kann.

iii) Da es nicht erforderlich ist, den Ausgang der Stromquelle der Brückenschaltung zu schalten, ist das Schaltelement billig.

iv) Das Schaltelement ist sehr einfach ausgestaltet.

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ν) Das Umschalten der Größe der Dehnung und eine Ab— schätäung bei zu großer unausgeglichener Spannung kann sehr leicht durchgeführt werden.

Die Erfindung kann auf verschiedene Arten praktisch, durchgeführt werden, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

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MAXIMILIANSTRASSE «3

ETOWA ELECTRONIC INSTRUMENTS CO., Ltd. No. 5-1? 3-Chome, Chofugaoka, Chofu City, Tokyo/Japan

P 13 744. _ 12. April 1979

Patentan Sprüche

1 J Dehnungsmeßgerät, bei dem eine Wheatstone'sehe-Brückenschaltung verwendet wird, gekennzeichnet durch eine Erregungs-Stromquelle (1¹), mit der die Wheatstone'sehe— Brückenschaltung (4) mit einer veränderbaren Spannung versorgbar ist, durch einen Spannungsmesser (5) zum Messen einer von der Wheatstone' schen-Brücke (4) abgeleiteten Ausgangsspannung, durch einen Speicher (6) zum Speichern des gemessenen Wertes, durch eine Recheneinheit (7) zur arithmetischen Verarbeitung des gespeicherten Wertes, und durch eine Steuereinheit (9), um den Speicher und die Recheneinheit (7) in Abhängigkeit von jedem Schalten der Erregungs-Stromquelle (1 ·) zur Änderung der Quellenspannung zu steuern, wobei jedesmal beim Indern der der Brücke zugeführten Quellenspannung der von dem Spannungsmesser (5) gemessene Wert vorübergehend in dem Speicher (6) gespeichert ist und wobei unter Steuerung der Steuereinheit (9) aufeinanderfolgend gemessene und gespeicherte Werte voneinander in der Recheneinheit (7) subtrahiert werden, um ihre Differenz zu erhalten, damit zufällige Beiträge zu der Dehnungs-

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messung entfernt werden, wie die innerhalb oder außerhalb der Wheatstone¹ sehen -Brückenschaltung (4) erzeugte thermische, elektromotorische Kraft und die Driftspannung der Brücken-Stromquelle (1¹), um eine genauere Dehnungsmessung zu erzielen.
2. Dehnungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalten der Spannung der Stromquelle für die Brücke (4·) in Übereinstimmung mit dem Schalten des Bereiches der zu messenden Größe der Dehnung durchgeführt wird, um die Betriebszeit zum Messen zu verringern.

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