DE2915104C2

DE2915104C2 - Dehnungsmeßgerät

Info

Publication number: DE2915104C2
Application number: DE2915104A
Authority: DE
Inventors: Harukichi Tachikawa Tokio/Tokyo Honda; Toshiya Komae Tokio/Tokyo Kawada; Yoshiyuki Tama Tokio/Tokyo Tsujitsugu
Original assignee: KYOWA ELECTRONIC INSTRUMENTS CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: KYOWA ELECTRONIC INSTRUMENTS CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Priority date: 1978-04-18
Filing date: 1979-04-12
Publication date: 1986-05-15
Also published as: DE2915104A1; JPS5834761B2; US4404856A; FR2423764B1; JPS54137370A; FR2423764A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dehnungsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Dehnungsmeßgerät ist bekannt und soll nachfolgend zusammen mit den ihm innewohnenden Nachteilen näher erläutert werden.

Dehnungsmeßgeräte enthalten in aller Regel eine Wheatstone'sche Brückenschaltung, die von Widerständen gebildet ist,*ile den Einflüssen einer zu messenden Dehnung ausgesetzt sind. Bei einem herkömmlichen Dehnungsrneßgernt dieser Art kann ein genauer Meßwert nicht erhalten weiden, wenn eine thermische eiektromotorische Kraft (EMK) an Verbindungen innerhalb oder außerhalb des Brückenschaltkreises erzeugt wird, da eine solche thermische EMK auf das Meßsystem wirkt bzw. an diesem anliegt und zwar neben der erwünschten, unabgeglichenen Spannung (Ausgangsspannung) der Brücke, die der Größe der zu messenden Dehnung proportional ist.

Verschiedene Einrichtungen sind bisher bekannt geworden, um einen solchen nachteiligen Einiluß der thermischen EMK 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 EMK zu eliminieren. Ferner ist ein Meßgerät bekannt, bei dem eine erste Messung durchgeführt wird, wobsi eine Erregungsspannung dem Brückenschaltkreis eingeprägt wird, und anschließend wird eine zweite Messung bei abgeschalteter Erregungsspannung durchgeführt und der so erhaltene zweite Meßwert wird dann von dem ersten Meßwert subtrahiert, um den Einfluß der thermischen EMK auszuschließen.

Zu deren Verständnis werden solche herkömmlichen Meßgeräte näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm einer ßrückenschaltung mit Dehnungsmessern. Wenn angenommen wird, daß der Widerstand der Dehnungsmesser R ist und eine Erregungsspannung (Eingangs- oder Bezugsspannung) fan der Brücke liegt, und sich der Widerstand R der Dehnungsmesser proportional zu der Größe der Dehnung c ändert, dann wird eine Ausgangsspannung e erhalten, welche durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden

e-^-Ks-e-E (I)

Hierin bedeutet K₅ den Dehnungsfaktor bzw. den ΛΓ-Faktor der Dehnungsmesser. Im praktischen Fall können verschiedene Fehlerursachen einwirken, und die davon verursachten Fehler addieren sich zu der Brückenausgangsspannung, so daß der gemessene Wert, der Gleichung (1) entspricht. Ein solches praktisches Beispiel wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 erläutert.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen DehnungsmeßgeriUes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem die Erregungsspannung der Brückenschaltung umgepolt wird. Dieses Gerät weist eine Brücken-Stromquelle 1 zum Erregen der Brückenschaltung auf. Ferner sind eine Bezugsspannung E, ein Trennverstärker 2 und eine zufällige Spannung AE vorgesehen, welche in den verschiedenen Teilen der Schaltung (nämlich äquivalent zur Driftspannung) erzeugt wird. Die Stromquelle 1 ist mit der Brückenschaltung 4 über einen Umpolungsschalter 3 verbunden.

Die Ausgangsspannung der Brückenschaltung 4, zu der eine an Verbindungen innerhalb und außerhalb des Brückenschaltkreises 4 hervorgerufene thermische EMK 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 Polaritätsumschalter 3 auf der α-Seite und die BrückensGhaltung4 wird von der Quelle 1 erregt. Am Ausgang der Brückenschaltung 4 wird eine 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:

<?, = -I-tf.s ■ ε-(Ε+ AE) + e, (2)

Δ.

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

Dann wird der Umpolungsschalter auf die 6-Seite gelegt und die Brückenschaltung 4 wird erregt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung e₂ an dem Ausgang erhalten, welche im wesentlichen der Größe der Dehnung proportional ist. Diese Spannung wird durch die folgende Gleichung (3) dargestellt.

e₂ -- -\--K_s-e(E + AE) + e, (3)

Die obigen Spannungswerte, wie sie durch die Gleichungen (2) und (3) dargestellt sind, werden jedesmal bei zwei aufeinanderfolgenden Messungen mit dem Voltmeter S gemessen und in dem Speicher 6 gespeichert. Unter Verwendung der Recheneinheit 7 wird von dem Meßwert e, der Meßwert e₂ subtrahiert und die Differenz wird durch 2 dividiert. Der so errechnete Wert e' ergibt sich aus der folgenden Gleichung (4):

„<= IL

Γ j ■ K₅ ■ ε ■ (E + A E) + βλ - Γ- j ■ K₅ ■ ε ■ (E + A E) + <>,Ί

15 20

= J-K₃S-(E+AE) (4)

25

Mit diesem Vorgehen kann der Einfluß der thermischen elektromotorischen Kraft e, entfernt werden.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines anderen, herkömmlichen Dehnungsmeßgerätes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem die Erregungsspannung bei der zweiten Messung ganz abgeschaltet wird. Dieser in F i g. 3 gezeigte Schaltkreis unterscheidet sich von dem in der F i g. 2 gezeigten nur dadurch, daß e?.n Ausschalter 3' vorgesehen ist, mit dem die Quelle fur die Erregungsspannung, welche der Brückenschaltung zugeführt wird, abgeschaltet wird, wenn der Schalter auf die i-Seite gelegt wird. Der übrige Teil des in Fig. 3 dargestellten Schaltkreises ist mit dem der Fig. 2 identisch.

Wenn der Ausschalter3' auf die o-Seite gelegt wird, um die Brückenschaltung zu erregen, erhält man an ihrem Ausgang eine Spannung e₃, die im wesentlichen der Größe der Dehnung proportional ist. Die Spannung e_} ergibt sich durch die folgende Gleichung (5):

e_}-- -j-K_s-€-(E + AE) + e, (5)

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

ft. e, (6)

45

Die vorhergehenden Meßwerte v/erden in dem Speicher 6 gespeichert. Dann wird von dem durch die Gleichung (5) ausgedrückten Meßwert e_} der durch die Gleichung (6) ausgedrückte Wert e₄ subtrahiert. Der sich ergebende Wert e" wird durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt:

Γ 1 Il

e" =■■ e> - e_A = I j ■ K₅ ■ ε ■ (E+ AE) + e,\ - (<?,) = ~ ■ K_s -c ■ (E + A E) (7)

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

i) Obgleich der Einfluß der thermischen elektromotorischen Kraft e, unterdrückt werden kann, wie es durch die Gleichungen (5) und (7) gezeigt wird, kann der Einfluß der Driftspunnung A E nicht beseitigt 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 Meßbereich für die Dehnung umgeschaltet werden kann, insbesondere bei größeren Dehnungswerten. Dies erfordert eine Vorwiderstandsanordnung vor dem Voltmeter oder einen getrennten Srhaltkreis zur Veränderung der Brückeneingangsspannung. Hierdurch wird das Gerät teuer.

Der Erlindung liegl -Jie Aufgabe zugrunde, ein Dehnungsmeßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Ausgangssignal weitgehend frei von durch Driftspannungen hervorgerufenen Störeinflüssen ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs I gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Bei dem erfindungsgemäßen Dehnungsmeßgerät können der Brückenschaltung sowohl veränderliche Gleichspannungen (d. h. ein Rechteckimpulssignal mit einem von Null verschiedenen Mittelwert), vcränderliehe Wechselspannungen (d. h. Wechselspannungen, deren Spitzenamplitude geändert wird) und auch veränderliche Rechteckspannungen (d. h. solche Rechteckspannungen, deren Spitze-Spitze-Amplitude geändert wird) zugeführt werden, um den von der Erfindung angestrebten Effekt zu erzielen. Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, die innerhalb der Schaltung hervorgerufene Driftspannung, die eine additive Störgröße bezüglich der die Brückenschaltung versorgenden Spannung darstellt, durch Subtraktion zu climinieren, wobei aber sichergestellt ist. daß bei der Subtraktion nicht gleichzeitig die eigentliche Speisespannung verschwindet, d. h. zu Null wird.

Es zeigen:

F i g. I ein Schaltkreisdiagramm einer bekannten Brückenschaltung, bei der Dehnungsmesser verwendet werden;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines den Ausgangspunkt der Erfindung bildenden Dehnungsmeßgerätes, bei dem die Polarität der Erregungsspannung der Brückenschaltung umgekehrt wird,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines anderen, den Ausgangspunkt der Erfindung bildenden Dehnungsmeßgeriites, bei dem die Erregungsspannung der Brückenschaltung abgeschaltet wird, und

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Dehnungsmeßgerätes, welches gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebiluci iSi.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Schaltkreis unterscheidet sich von dem in den Figuren 2 oder 3 gezeigten Schaltkreis lediglich durch die Stromversorgungsquelle Γ für die Brücke. Die übrigen Teile des Schaltkreises sind identisch. Die Stromversorgungsquelle Γ für die Brücke umfaßt eine Anzahl von verschiedenen Bezugsspannungen £„, E_b und E_c. In der Zeich- nung sind diese Spannungen als drei unabhängige Spannungsquellen dargestellt. Jedoch können die Spannungen E/, und £, von der gleichen Bezugsspannung E₀ durch deren Unterteilung abgeleitet werden, beispielsweise mittels Widerstandszweigen oder dergleichen. Die Quelle Γ weist femer einen Schalter 3" zur Spannungsänderung und einen Trennverstärker 2 auf. Die von dieser Quelle Γ gelieferte Quellenspannung enthält unvermeidlich eine zufällige Spannung, welche in dem Schaltkreis oder in de^i Trennverstärker 2 erzeugt wird, und zwar in dergleichen 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-Anderungsschalter3" in die Stellung b gebracht wird, in der er mit einer Bezugsspannung E₁, verbunden ist, und die Brückenschaltung wird erregt. Die Ausgangsspannung ist im wesentlichen der Dehnung proportional und ist eine Spannung ^₅. die durch die folgende Gleichung (8) ausgedrückt wird.

e? = ~\-K_sc(E_h + AE) + e, (8)

Anschließend wird der Spannungsquelle-Änderungsschalter3" in die Stellung c geschaltet, wobei er mit einer Bezugsspannung E_c verbunden wird, und die Brückenschaltung wird erregt. Die erhaltene Ausgangsspannung P₆ wird durch die folgende Gleichung (9) angegeben:

e, = --Ks-C(E, + AE) + e, (9)

4

Die in den Gleichungen (8) und (9) angegebenen Werte werden mit dem Voltmeter S gemessen und in dem Speicher 6 gespeichert. Anschließend wird von dem Meßwerte, der Wert e_e in der Recheneinheit 7 subtrahiert. Dieser verarbeitete Wert e'" ergibt sich durch die folgende Gleichung (10):

e'" = e₅ - e-,

= Ij ■ Ks ■ ε ■ (E_h + Δ E) + e^-ϊ -j ■ K₅ ■ ε ■ (E, + A E) + eA

= j ■ K₅ ■ ε ■ (E, - E₁) (10)

Wenn die eingestellten Bezugsspannungen E₆ und £_f so eingestellt sind, daß in der Gleichung (10) gilt E_b- E_c = E, oder wenn in der Recheneinheit 7 ein Faktor /V vorgesehen wird, damit (£₄ - E₁) x N = £gilt, kann man ohne weiteres einen genauen Meßwert der Brückenausgangsspannung richtig erhalten, der der Größe der Dehnung proportional ist, wie es in Gleichung (1) angegeben ist.

Ein weiterer Vorteil kann bei dem Meßgerät nach der vorliegenden Erfindung dadurch erhalten werden, daß die Beziehung zwischen den Bezugsspannungen, £„, E_n und £_f in der folgenden Weise festgelegt wird:

E_h - E₁ = E und E₁₁ - £„ = 10£

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

/:, 2.22 V

E₁, 0.22 V E₁ 0.02 V

Zuerst wird die Brückenschaltung 4 dadurch erregt, daß der Spannungsänderungsschalter 3" in die £>-Stellung mit dor Bezugsspannung E_b gebracht wird, um an der Brückenschaltung eine Ausgangsspannung e_s zu erzeugen, wie sie durch die Gleichung (8) angegeben ist. Wenn festgestellt wird, daß der Wert der Ausgangsspannung e₅ zu klein ist, wird der Spannungsänderungsschalter 3" in die α-Stellung geschaltet und dabei mit der Bezugsspannung E₁, verbunden. Eine Ausgangsspannung <?₇ ergibt sich zu diesem Zeitpunkt durch die folgende Gleichung (11):

e-, - j-K,€-(E„+ AE) + e, (11) '⁵

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

e"" = e₇ - e₅

ε-(E,,+ Δ E) + e,J - [j ■ K_s ■ ε -(E₁, + Δ E) + ρ,Ί

= - · K_s ■ ε ■ (E„ -E„)

= j'Ks-ε- WE= \0-j-Κ₅-ε· Ε (12)

Aus der Gleichung (12) ergibt sich, daß ein zehnfacher Wert der erwünschten Dehnung erhalten werden kann, der keine zufällige thermische EMK, die innerhalb oder außerhalb der Wheatstone'schen Brückenschaltung hervorgerufen wird, und keine Driftspannung der Stromquelle der Brückenschaltung erhält.

Wenn die Ausgangsspannung e₅ 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 Spannung e₅ einen äußerst großen Wert annimmt, durch den das Voltmeter 5 übersteuert wird, dann kann eine Anpassung des Meßbereiches abgeleitet werden, ohne die Spannungswerte 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 EMK in der Brückenschaltung, sondern auch der Driftspannung der Spannungsversorgungsquelle für die Brücke ausgeschaltet werden, und man kann eine genaue der Dehnung proportionale Ausgangsspannung erhalten.

ii) Der oben erwähnte Einfluß der thermischen EMK und der Driftspannung können dadurch ausgeschlossen werden, daß lediglich die Bezugsspannung veränderbar vorgesehen ist. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil einer einfachen Bereichsumschaltung, so daß die Meßzeit verkürzt 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.

v) Das Umschalten des Meßbereichs und eine Abschätzung bei zu großer Ausgangsspannung können sehr leicht durchgeführt werden.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen |

Claims

Patentansprüche:

1. Dehnungsmeßgerät mit einer von einer Erregungsstromquelle gespeisten Brückenschaltung, an die ein Spannungsmesser zum Messen der Diagonalspannung angeschlossen ist, dem ein Speicher nachgeschaltet ist, in dem zwei nacheinander bei unterschiedlicher Erregungsspannung gemessene Werte eingespeichert werden, die mittels einer Steuereinheit einer Recheneinheit zur Durchführung einer Subtraktion der Meßwerte zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Erregungsstromquelle (1') mehrere unterschiedliche Bezugsspannungen (E_a,E_b und E_c) vorgesehen sind, die mittels eines Schalters (3") zur Veränderung der an die Brückenschaltung (4) angelegten Erregungsspannung umschaltbar sind.

2. Dehnungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungen (£„, E_1n E_c) entsprechend unterschiedlicher Meßbereiche, vorzugsweise im Verhältnis etwa 10 : 1 gegeneinander abgestuft sind.