DE2933676C2

DE2933676C2 - Verfahren zur Justierung von Meßwertumformern mit Dehnungsmeßstreifen und Dehnungsmeßstreifen zur Durchführung des Verfahrens.

Info

Publication number: DE2933676C2
Application number: DE2933676A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Paetow
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1979-08-20
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE2933676A1; US4342217A; CA1131043A

Description

Verfahren zur Justierung von Meßumformern mit Dehnungsmeßstreifen und Dehnungsmeßstreifen zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Justierung von Meßumformern, insbesondere Kraftaufnehmern, mit mindestens einem auf einem Federkörper ortsfest applizierten Dehnungsmeßstreifen durch Zuschalten weiterer Dehnungsmeßstreifen-Flächenanteile und auf zur Durchführung des Verfahrens geeignete Dehnungsmeßstreifen.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-PS 20 49 820 bekannt Insbesondere aus der Fig.4 und der dazugehörigen Beschreibung ergibt sich, daß zur justierung des Kriechens eines oben genannten Meßumformers weitere kriechkompensierende Gitterumkehrungen des Dehnungsmeßstreifens durch Verbinden mit entsprechenden Anschlüssen dieses Dehnungsmeßstreifens aktiviert werden können.

Weiterhin ist in der DE-OS 29 16 427 ein Meßumformer mit einer darauf applizierten Dehnungsmeßstreifenanordnung dadurch hinsichtlich des Kriechens, des Widerstandes und von Torsionsfehlern abzugleichen, daß weitere mit der Dehnungsmeßstreifenanordnung verbundene Dehnungsmeßstreifenteile durch Auftrennen von diese Teile kurzschließenden Leiterbahnen aktiviert werden.

Aus Messen und Prüfen/Automatik, Februar 1974, S. 89 bis 92 sind Druckaufnehmer bekannt, bei denen auf einer relativ großen Siliziummembran Widerstände als Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen eindiffundiert werden. Dabei können zahlreiche Widerstandsnetzwerke auf ίο der Membran untergebracht werden, nach deren Herstellung aus mehreren Schaltungen die beste ausgelesen werden kann. Das Auslesen der besten Brückenschaltung aus zwei oder vier Brückenschaltungen bezieht sich offenbar darauf, daß die eindiffundierten Dehnungsmeßstreifen erhebliche Unterschiede in ihren Kennwerten haben. Oft wird die Wahl erst nach eingehenden Druck- und Temperaturtests gefällt, es werden also in den Kennwerten Empfindlichkeit und Temperaturkoeffizient vergleichbare Halbbrücken auf der SiJiziummembran ausgewählt, vergleichbar etwa mit dem Auswählen von Transistorpärchen aus einer Vielzahl von Transistoren. Der Stand der Technik bezieht sich auf Druckaufnehmermembranen, die naturgemäß keinen definierten Einleitungspunkt der Kraft besitzen.

Aus der DE-AS 16 48 724 ist eine Meßbrückenanordnung bekannt, bei der ein Anschlußstreifen der Brücke einen anderen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist als die Widerstandsarme der Brückenschaltung und bei der zur Ermittlung der Spannung der Brückendiagonale ein derartiges Stück des Anschlußstreifens abgegriffen wird, daß die thermische Nullpunktverschiebung der Brücke über den gesamten Betriebsbereich möglichst klein ist. Aus der DE-OS 27 24 817 ist eine Dehnungsmeßstreifenvollbrücke bekannt, bei der zu den einzelnen Brückenzweigen eine verbreiterte Leiterfläche in Reihe geschaltet ist und bei der die elektrische Unsymmetrie der Brückenausgangsspannung durch eine Querschnittsänderung der verbreiterten Leiterfläche abgeglichen wird.

Weiterhin ist es allgemeiner Stand der Technik, daß bei Meßumformern mit mindestens einem auf einem Federkörper applizierten Dehnungsmeßstreifen, insbesondere bei Kraftaufnehmern, durch eine nicht-ideale Krafteinlkeitung Fehler entstehen. Das rührt daher, daß Verlagerungen des Kraftangriffspunktes den Verformungsmechanismus des Federkörpers in schwer kontrollierbare Weise beeinflussen. So rufen z. B. schon geringe Exzentritäten des Kraftangriffspunktes bei

so einem axial belasteten zylindrischen Maßstab beachtliche Biegemomente in diesem hervor mit entsprechend komplexem Verformungsverhalten.

Fehlbelastungen können daher auch dadurch entstehen, daß neben der Kraft in der eigentlichen Meßrichtung zusätzliche Kraftkomponenten auf den Aufnehmer wirken, die ebenfalls zusätzliche Beanspruchungen im Federkörper des Aufnehmens hervorrufen. Theoretisch werden diese Fehler auf Grund von Mehrfachanordnungen der Dehnungsmeßstreifen auf dem Federkörper und geeigneter Zusammenschaltung in einer Wheatstoneschen Brücke kompensiert. Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß diese theoretische Kompensation nie vollständig zu erreichen ist, so daß Fehlbelastungsfehler immer in gewissem Umfang in Kauf genommen werden müssen. Um sie so klein wie möglich zu halten, bemüht man sich auch, Fehlbelastungen nach Möglichkeit zu vermeiden, z. B. durch sorgfältige Ausgestaltung der Krafteinleitung in den

Federkörper des Aufnehmers. Dem sind jedoch physikalisch wie wirtschaftlich Grenzen gesetzt

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Justierung von Meßumformern mit Dehnungsmeßstreifen zu entwickeln, bei dem die Empfindlichkeit des Meßumformers gegenüber einer nichtidealen Krafteinleitung herabgesetzt ist, sowie die Entwicklung für die Durchführung dieses Verfahrens geeigneter Dehnungsmeßstreifen.

Voraussetzung für die Lösung dieser Aufgabe ist die Erkenntnis, daß die theoretische Kompensation der Fehler durch Mehrfachanordnung der Dehnungsmeßstreifen nur dann gegeben ist, wenn die Geometrie des Federkörpers und der Dehnungsmeßstreifenanordnung absolut symmetrisch zur Krafteinleitung verläuft. Diese Symmetrie ist aus vielfältigen Gründen nie vollständig zu erreichen, beispielsweise kann man Dehnungsmeßstreifen nicht beliebig genau plazieren, so daß die genannten Fehler immer in gewissem Uuifang in Kauf genommen werden müssen. Außerdem sind die Federkörper häufig in sich nicht symmetrisch, beispielsweise durch Fehler im Material oder der Textur des Federkörpers. Voraussetzung für die Lösung der Aufgabe ist es. Maßnahmen zur Erhöhung der inneren Symmetrie des Aufnehmers durchzuführen, wobei der Aufbau des Federkörpers und der Aufbau der Dehnungsmeßstreifen funktionell zusammenwirken.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Abschalten und Zuschalten von Flächenanteilen des Dehnungsmeßstreifens zur Symmetrierung gegenüber dem Federkörper.

Besonders einfach ist das Justieren, wenn das Ab- und Zuschalten in Längs- und Querrichtung des Dehnungsmeßstreifens erfolgt. Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Dehnungsmeßstreifen mit weiteren mit dem Dehnungsmeßstreifen verbundenen und ab- und zuschaltbaren Dehnungsmeßstreifen-Flächenanteilen besonders geeignet, bei dem diese zum Dehnungsmeßstreifen in Dehnungsrichtung versetzt angeordnet sind. Besonders einfach gestaltet sich die Durchführung des Verfahrens, wenn die Dehnungsmeßstreifenteile zum Dehnungsmeßstreifen in Dehnungsrichtung und quer zur Dehnungsrichtung versetzt angeordnet sind. Eine fein justierbare Form des Dehnungsmeßstreifens ist dadurch ausgezeichnet, daß die aktivierbaren Dehnungsmeßstreifenteile als quer zu den Außenrändern des Dehnungsmeßstreifens verlaufende, etwa U-förmige Anordnungen ausgeführt sind. Der Bereich, innerhalb dessen die Symmetrierung gegenüber dem Federkörper erfolgen kann, ist dann besonders groß, wenn die U-förmigen Teile mäanderförmig ausgebildet sind und die Außenränder des Dehnungsmeßstreifens etwa in der Mitte des Mäanders verlaufen.

Die Figuren zeigen schematisch mögliche Ausführungsformen von für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Dehnungsmeßstreifen, wobei das Verfahren an Hand der Figuren besprochen wird. Es zeigt

Fig. 1 einen Dehnungsmeßstreifen, dessen Mittelpunkt der Gittergeometrie in Dehnungsrichtung verschoben werden kann,

Fig.2 einen Dehnungsmeßstreifen, dessen Mittelpunkt der GitK-rgeometrie in Dehnungsrichtung und quer zur Dehnuflgsrichtung verschoben werden kann,

Fig.3 einen Dehnungsmeßstreifen mit quer zu den Außenrändern ^erlaufenden etwa U-förmigen aktivier- as baren Dehnungfsmeßstreifen-Flächenteilen,

Fig.4 einen Dehnungsmeßstreifen, bei dem die U-förmigen Flächenanteile mäanderförmig ausgebildet sind und die Außenränder des Dehnungsmeßstreifens etwa in der Mitte des Mäanders verlaufen.

F i g. 1 zeigt einen Dehnungsmeßstreifen 1 zwischen den Anschlußpunkten 2 und 3. Mit dem Dehnungsmeßstreifen 1 sind als weitere Flächenanteile Zusatzdehnungsmeßstreifen 6 und 7 verbunden, die in den Anschlußpunkten 4 und 5 enden. Diese Zusatzdehnungsmeßstreifen sind in Längsrichtung gegen den Dehnungsmeßstreifen 1 verschoben, sie ragen also in Längsrichtung über den für die eigentliche Messung bestimmten Dehnungsmeßstreifen 1 hinaus. Normalerweise werden die äußeren Anschlüsse an den Anschlußpunkten 2 und 3 angelötet Zeigt sich nun, daß der Meßwertumformer in Längsrichtung asymmetrisch ist und die innere Symmetrie durch eine Verschiebung des Mittelpunktes der Gittergeometrie in Längsrichtung — z. B. nach »unten« in F i g. 1 — erhöht würde, werden die Zusatzdehnungsmeßstreifen 6 und 7 aktiviert, und zwar durch Umschalten bzw. Umlöten der äußeren Anschlüsse des Dehnungsmeßstreifens auf die Anschlußpunkte 4 und 5. Durch diese Aktivierung der Zusatzdehnungsmeßstreifen wird der Mittelpunkt des Meßgitters z. B. nach »unten« verschoben, die inner«: Symmetrie des Meßwertumformer in bezug auf die: Krafteinleitung erhöht und somit die Empfindlichkeit gegenüber einer nicht-idealen Krafteinleitung herabgesetzt. Selbstverständlich können die Zusatzdehnungsrneßstreifen 6 und 7 relativ viele Umkehrstellen und mehrere zusätzliche Anschlußpunkte haben, so daß durch die Auswahl der geeigneten Anschlußpunkte der Mittelpunkt der Gittergeometrie stufenweise um vorgegebene Beträge verschoben werden kann.

F i g. 2 zeigt eine der F i g. 1 sehr ähnliche Ausführungsform der Erfindung, bei der jedoch der Mittelpunkt der Gittergeometrie in Längs- und Querrichtung verschoben werden kann. Wiederum sind einem Dehnungsmeßstreifen I zwei Zusatzdehnungsmeßstreifen 6 und 7 zugeordnet, bei deren Aktivierung eine Verschiebung des Mittelpunkts der Gittergeometrie in Längsrichtung des Dehnungsmeßstreifens erfolgt; bei Aktivierung der Anschlußpunkte 2, 3 bzw. 4, 5 ergibt sich kein Unterschied gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 1. Weitere, zwischen dem Dehnungsmeßstreifen 1 und dem Zusatzdehnungsmeßstreifen 6 und 7 befindliche Zusatzdehnungsmeßstreifen 8 und 9 sind jedoch in Querrichtung zur Dehnung gegenüber dem Dehnungsmeßstreifen 1 verschoben. Slie können durch Verbinden der Anschlußpunkte 10 und 11 mit den äußeren Anschlüssen des Dehnungsmeßstreifens aktiviert werden. Sind die Anschlußpunkte 3 und 11 angeschlossen, wird der Zusatzdehnungsmeßstreifen 9 aktiviert, der Mittelpunkt der Gittergeometrie wird quer zur Dehnungsrichtung nach »rechts« verschoben. Ein Anschluß der Anschlußpunkte 2 und 4 dagegen bringt beispielsweise eine Mittelptinktverschiebung nach »links unten«. In gewissen Grenzen ist eine Querverschiebung des Mittelpunkts der Gittergeometrie auch in der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform möglich, wobei jedoch keine reine Querverschiebung möglich ist, sondern nur eine kombinierte Verschiebung beispielsweise durch Aktivierung lediglich des Dehnungsmeßstreifens 1 und des Zusatzdehnungsmeßstreifens 7 durch Verbinden der Anschlußpunkte 3 und 5 mit den äußeren Anschlüssen. In diesem Fall erfolgt eine Verschiebung nach »rechts unten«.

Weiterhin wird als erfindungswesentlich angesehen die Verwendung eines Dehnungsmeßstreifens gemäß der Fig.4 der DE-PS 20 49 820 zur Verschiebung des

Mittelpunkts der Gittergeometrie des wirksamen Teils des Dehnungsmeßstreifens gegenüber dem Federkörper um vorgegebene Beträge. Werden dort beispielsweise der rechte äußere und der linke äußere Anschlußpunkt mit den äußeren Zuleitungen verbunden, so bleibt der Mittelpunkt der Gittergeometrie unverändert, während er bei Anschluß des rechten äußeren und mittleren linken Anschlußpunkten nach rechts verschoben wird.

Fi g. 3 zeigt eine Ausführung, bei der am Dehnungsmeßstreifen 1 aktivierbare Dehnungsmeßstreifenteile 12 quer zu den Außenrändern des Dehnungsmeßstreifens 1 U-förmig ausgeführt sind. Durch Auftrennen des Dehnungsmeßstreifens 1 an den Stellen 13 werden die Dehnungsmeßstreifenteile 12a aktiviert, so daß der Mittelpunkt der Gittergeometrie nach »links« verschoben wird. In ähnlicher Weise werden durch Auftrennen des Dehnungsmeßstreifens 1 an den Stellen 14 die Dehnungsmeßstreifenteile 12c aktiviert, der Mittelpunkt wird nach »unten« verschoben. Auftrennen der Stellen 15 ergibt Aktivierung der Dehnungsmeßstreifenteile 126, es erfolgt eine Verschiebung nach »rechts« Auftrennen der Stellen ergibt über die Aktivierung der Dehnungsmeßstreifenteile 12c/eine Verschiebung nach »oben«.

Die Dehnungsmeßstreifenteile 12 sind hier etwa als die drei Seiten eines Quadrats ausgeführt worden, selbstverständlich können sie jedoch abgerundet sein, ebenso ist es je nach dem Dehnungszustand der Meßfeder eventuell günstiger, die Dehnungsmeßstreifenteile 12 trapezförmig oder sägezahnförmig auszubilden.

Auf den genauen Ort der U-förmigen Dehnungsmeßstreifenteile 12 an der Gittergeometrie kommt es bei

to Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre nicht entscheidend an. Beispielsweise sei daher in F i g. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Ausführung (bis auf die Dehnungsmeßstreifenteile 12c und \2d)gezeigt, bei der die U-förmigen Dehnungsmeßstreifenteile mäanderförmig ausgebildet sind, wobei die äußeren Einzelstreifen des Dehnungsmeßstreifens etwa die Mittellinie des Mäanders bilden. Ein Auftrennen der Stellen 13 ergibt wiederum eine Verschiebung nach »links«, ein Auftrennen der Stellen 15 eine Verschiebung nach »rechts«. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind entweder größere Verschiebungen möglich oder eine feinere Abstufung der Verschiebungen, da mehr U-förmige Dehnungsmeßstreifenteile 12 am Dehnungsmeßstreifen 1 untergebracht werden konnten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Justierung von Meßumformern, insbesondere Kraftaufnehmern, mit mindestens einem auf einem Federkörper ortsfest applizierten Dehnungsmeßstreifen durch Zuschalten weiterer Dehnungsmeßstreifen-Flächenanteile, gekennzeichnet durch Abschalten und Zuschalten von Flächenanteilen des Dehnungsmeßstreifens zur Symmetrierung gegenüber dem Federkörper.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab- und Zuschalten in Längs- und Querrichtung des Dehnungsmeßstreifens erfolgt

3. Dehnungsmeßstreifen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit weiteren mit dem Dehnungsmeßstreifen verbundenen und ab- und zuschaltbaren Dehnungsmeßstreifen-Flächenanteilen, dadurch gekennzeichnet, daß diese zum Dehnungsmeßstreifen (1) in Dehnungsrichtung versetzt angeordnet sind.

4. Dehnungsmeßstreifen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit weiteren mit dem Dehnungsmeßstreifen verbundenen und ab- und zuschaltbaren Dehnungsmeßstreifen-Flächenanteilen, dadurch gekennzeichnet, daß diese zum Dehnungsmeßstreifen (1) in Dehnungsrichtung und quer zur Dehnungsrichtung versetzt angeordnet sind.

5. Dehnungsmeßstreifen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit weiteren mit dem Dehnungsmeßstreifen verbundenen und ab- und zuschaltbaren Dehnungsmeßstreifen-Flächenanteilen, dadurch gekennzeichnet, daß diese als quer zu den Außenrändern des Dehnungsmeßstreifens (1) verlaufende, etwa U-förmige Anordnungen (12) ausgeführt sind.

6. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Anordnungen (12) mäanderförmig ausgebildet sind und die Außenränder des Dehnungsmeßstreifens (1) etwa in der Mitte des Mäanders verlaufen.