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Vorrichtung zum Erfassen der Biegung,
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der Dehnung und/oder der Torsion eines Prüflings Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Erfassen der Biegung, der Dehnung und/oder der Torsion eines
Prüflings mit einem an eine Wechselspannungsquelle anschließbaren Verformungssensor,
durch den der zu einem Meßverstärker gelangende Meßstrom entsprechend der erfaßten
Meßgröße verändert wird.
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Bei derartigen Vorrichtungen werden häufig als Verformungssensor Dehnungsmeßstreifen
eingesetzt, über die ein Meßstrom geleitet wird, welcher in einem Meßverstärker
verstärkt wird und zur Erfassung der jeweiligen Meßgröße ausgewertet wird. Bei solchen
Anordnungen sind jedoch häufig besondere Maßnahmen zur Kompensation von äußeren
Einflüssen, insbesondere von Temperaturänderungen erforderlich, die mit zunehmenden
Dehnungshub und vor allem mit der Erhöhung der Arbeitstemperatur in den Bereich
von mehreren Hundert Grad Celsius schwer zu realisieren sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet,
auch bei Temperaturen von mehreren Hundert Grad zuverlässig zu arbeiten und temperaturbedingte
sowie mechanische Verzüge sowie Ablagerungen auf dem Sensor einfach zu kompensieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verformungssensor
wenigstens drei voneinander isolierte Elektroden aufweist, die mit unterschiedlichen
Bereichen der Prüflingsoberfläche fest verbunden sind, wobei zwei der Elektroden
als Sendeelektroden mit gegenphasigen Wechselspannungen beaufschlagt sind, deren
resultierendes Potential von wenigstens einer als Empfangselektrode wirksamen Elektrode
aufgenommen wird, die mit dem Eingang des Meßverstärkers verbunden ist.
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Bei der Erfindung wird das elektrische Wechselfeld im Raum der Sende-
und Empfangs elektroden beim Auftreten von Verformungen entsprechend diesen Verformungen
gestört, wobei im abgeglichenen und ungestörten Zustand die Empfangselektrode auf
Nullpotential liegt. Selbst bei geringen Änderungen der Sensorgeometrie verschwindet
das Nullpotential auf der Empfangselektrode, so daß ein Meßstrom auftritt. Es sind
eine Reihe von Elektroden-Kcnfigurationen realisierbar, bei denen stets die Abstandsverhältnisse
zwischen Sendeelektroden und Empfangselektrode aufgrund einer Bewegung des zu vermessenden
Materials verändert werden. Hierbei sind die Elektroden bzw. ihre Halterung mit
dem Prüfling an zwei Auflagestellen fest verbunden.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ansteuer-
und Auswerteschaltung für Verformungssensoren gemäß der Erfindung, Fig. 2 ein erstes
Ausführungsbeispiel eines Verformungssensors mit drei Koaxialleitern, Fig. 3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Verformungssensors mit einem spaltförmigen Feldraum,
Fig. 4 ein im wesentlichen der Fig. 3 entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem
eine Sendeelektrode durch die leitende Oberfläche des Prüflings ersetzt worden ist,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verformungssensors mit vier Elektroden,
die je nach der Anschaltung unterschiedliche Verformungen zu diskriminieren gestatten
und Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verformungssensors mit einer hohen
Empfindlichkeit und hohen Linearität.
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Die in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte Schaltung dient zur
Erfassung und Auswertung der in einem Verformungssensor 1 auftretenden Verformungen
infolge der Biegung, der Dehnung oder der Torsion eines mit dem Verformungssensor
1 fest verbundenen Prüflings. Der Aufbau des Verformungssensors 1 ist weiter unten
anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 2 bis 6 beschrieben.
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Jeder der insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehenen Verformungssensoren
verfügt über zwei Sendeelektroden 2, 3 und wenigstens eine Empfangselektrode 4.
Die Sendeelektroden 2, 3 des Verformungssensors 1 werden über einen ersten Ansteuerverstärker
5 und einen zweiten Ansteuerverstärker 6 mit gegenphasigen Wechselspannungen beaufschlagt,
deren Frequenz vorzugsweise im Bereich zwischen 10 kHz und 50 kHz liegt. Der erste
Ansteuerverstärker 5 ist über einen Phasenschieber 7 mit einem der Ausgänge eines
amplitudenstabilen Oszillators 8 verbunden. Ein weiterer Ausgang des Oszillators
8 speist den Eingang des zweiten Ansteuerverstärkers 6 über eine Potentiometerschaltung
9, die es gestattet, die Spannungen auf den Sendeelektroden 2, 3 so zu verändern,
daß im abgeglichenen Zustand an der Empfangselektrode 4 das Potential Null herrscht
bzw. der von der Elektrode 4 in den Eingang eines Schmalbandverstärkers 10 eingespeiste
Meßstrom Null ist. Um diesen Abgleich zu Beginn einer Messung oder im Verlauf einer
Messung zur Verschiebung des Nullpunktes durchführen zu können, ist eine Nullpunktskorrekturschaltung
11 vorgesehen, durch die dem Eingang des zweiten Ansteuerverstärkers 6 zusätzlich
zu der aus der Potentiometerschaltung 9 abgeleiteten Spannung eine weitere Spannung
additiv hinzugefügt wird.
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Der Ausgang des Schmalbandverstärkers 10, der auf die Frequenz des
Oszillators 8 abgestimmt ist, liefert eine Spannung, deren Amplitude und Phase von
der Geometrieänderung des Verformungssensors 1 nach dem Nullpunktabgleich abhängt.
Änderungen der Abstände zwischen den Sendeelektroden 2, 3 und der Empfangselektrode
4 werden
werden mit Hilfe eines phasenempfindlichen Gleichrichters
12 erfaßt, dessen Gleichrichtereingang mit dem Ausgang des Schmalbandverstärkers
10 und dessen Takteingang über einen Phasenschieber 13 mit dem Oszillator 8 verbunden
ist. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters 12 speist eine Integrationsschaltung
14, deren Ausgangssignal über eine die Verstärkung beeinflussende Potentiometerschaltung
15 zu einer Einrichtung zur Meßwertverarbeitung 16 gelangt. Ändert sich im Laufe
der Messung das Verhältnis der Abstände der Empfangselektrode 4 zu den Sendeelektroden
2 und 3, so verändert sich die der Einrichtung zur Meßwertverarbeitung 16 zugeführte
Spannung entsprechend.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen sowohl
die beiden Sendeelektroden 2, 3 als auch die Empfangselektrode 4 aus den Kabelseelen
dreier Hochtemperatur-Koaxialleiter 17. Wie man in Fig. 2 erkennt, sind die Hochtemperatur-Koaxilalleiter
17 neben den von der Abschirmung befreiten Abschnitten 18 mit ihren Ummantelungen
an eine Metallfolie 19 durch Schweißpunkte 20 befestigt. Die Metallfolie 19 hat
beispielsweise eine Größe von 20 x 30 mm und eine Stärke von 0,3 mm. Im Randbereich
der Metallfolie 19 vorgesehene Langlöcher 21 dienen zur Befestigung des so aufgebauten
Verformungssensors auf der Prüflingsoberfläche.
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Wie man in Fig. 2 weiterhin erkennt, ist der Abstand zwischen der
Empfangselektrode 4 und der Sendeelektrode 2 kleiner als der Abstand zwischen der
Empfangselektrode 4 und der Sendeelektrode 3. Schweißpunkte 22 verbinden die Ummantelungen
der der Sendeelektrode 2 und der Empfangselektrode 4 zugeordneten Hochtemperatur-Koaxialleiter
17.
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Eine Abschirmhaube 23 überdeckt die von der Abschirmung befreiten
Abschnitte 18 der Hochtemperatur-Koaxialleiter 17, um Störeinflüsse von außen abzuschirmen
und um auf diese Weise zu erreichen, daß der von der Empfangselektrode 4 erfaßte
Meßstrom ausschließlich von einer Veränderung der Geometrie des Verformungssensors
abhängt. Die Abschirmhaube 23 ist vorzugsweise nur entlang einer Berandung mit der
Metallfolie 19 fest verbunden, um die Biegsamkeit der Metallfolie 19 nicht zu behindern.
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Wie man in Fig. 2 weiter erkennt, ist den Hochtemperatur-Koaxialleitern
17 noch eine Kabelhalterung 24 zugeordnet. Die Länge der Hochtemperatur-Koaxialleiter
17 zu dem Eingang des Schmalbandverstärkers 10 bzw. zu den Ausgängen der Ansteuerverstärker
5, 6 ist unkritisch, weshalb der oben beschriebene Verformungssensor zahlreiche
Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Hochtemperaturbereich hat Der in Fig. 3
dargestellte Verformungssensor 31 zur Erfassung der Verformung an einer Oberfläche
30 eines Prüflings verfügt ebenfalls über eine bewegliche Metallfolie 32 mit Löchern
33 zur Befestigung des Verformungssensors 31 am Prüfling, falls keine Klebung, Lötung
oder Schweißung zur Befestigung des Verformungssensors angewandt wird.
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Auf der Metallfolie 32 ist eine streifenförmige erste Sendeelektrode
34 vorgesehen, wobei ein streifenförmiger Isolator 35 eine galvanische Trennung
zwischen der ersten Sendeelektrode 34 und der Metallfolie 32 sicherstellt.
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In einem die Empfindlichkeit des Verformungssensors 31 mitbestimmenden
Abstand ist auf der Metallfolie 32 ein Sockelteil 36 befestigt, das in seinem oberen
Bereich in ein über die Metallfolie 32 hinausragendes Konsolenteil 37 übergeht.
Entsprechend den Löchern 33 sind Befestigungslöcher 38 vorgesehen.
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Zwischen der Unterseite des Konsolenteils 37 und der Oberseite der
Metallfolie 32 wird auf diese Weise ein Spalt 39 gebildet, dessen Spalthöhe sich
bei einer Verformung des Verformungssensors 31 ändert. Zur Erfassung dieser Spalthöhe
sind der ersten streifenförmigen Sendeelektrode 34 eine zweite streifenförmige Sendeelektrode
40 und eine streifenförmige Empfangselektrode 41 zugeordnet. Die Sendeelektrode
40 und die Empfangselektrode 41 sind galvanisch voneinander und der ersten Sendeelektrode
34 getrennt, was durch streifenförmige Isolatoren 42 und 43 bei dem in Fig. 3 dargestellten
Äusführungsbeispiel erreicht wird. Wenn das Konsolenteil 37 aus einem Isolator besteht,
können die streifenförmigen Isolatoren 42, 43 entfallen.
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Die Sendeelektroden 34 und 40 sowie die Empfangselektrode 41 sind
über in Fig. 3 nicht dargestelle Koaxialkabelverbindungen mit der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 1 verbunden. Bei einer Dehnung, bei einer Torsion oder einer Verbiegung
ändern sich die Abstandsverhältnisse der Sendeelektroden 34, 40 und der Empfangselektrode
41 im Spalt 39, was mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Anordnung auswertbar und
meßbar ist.
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Wenn die Oberfläche 30 des Prüflings leitend ist, kann diese die Funktion
der ersten Sendeelektrode 34 übernehmen und so den Aufbau eines nur eine geringe
Höhe in
Anspruch nehmenden Verformungssensors 51 gestatten. Wie
bei dem Verformungssensor 31 gemäß Fig. 3, ist ein Sockelteil 56 mit Befestigungslöchern
58 vorgesehen, um ein Konsolenteil 57 in einem Abstand von der Oberfläche 30 des
Prüflings zu halten. Bei dem Verformungssensor 51 gemäß Fig. 4 ist ein Spalt 59
zwischen dem Konsolenteil 57 und der Oberfläche 30 ausgebildet, die eine großflächige
erste Sendeelektrode darstellt. Die zweite Sendeelektrode ist als streifenförmige
Sendeelektrode 60 ausgebildet, wobei ein streifenförmiger Isolator 62 dafür sorgt,
daß zwischen der Sendeelektrode 60 und dem Konsolenteil 57 keine elektrische Verbindung
besteht.
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Auf einem streifenförmigen Isolator 63 ist auf der zum Spalt 59 weisenden
Seite des Konsolenteils 57 eine streifenförmige Empfangselektrode 61 angeordnet.
Die Funktionsweise des Verformungssensors 51 entspricht im wesentlichen der Funktionsweise
des Verformingssensors 31 gemäß Fig. 3, wobei die Oberfläche 30 des Prüflings jedoch
als großflächige Sendeelektrode wirkt.
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Fig. 5 zeigt einen Verformungssensor 71 mit einem linken metallischen
Gehäuseteil 72 und einem rechten metallischen Gehäuseteil 73. Die Gehäuseteile 72,
73 weisen an ihren Füßen flanschartige Befestigungsstreifen 74, 75 mit Befestigungslöchern
76 auf. In den Gehäuseteilen 72, 73 sind jeweils eine obere und eine untere Kammer
77, 78 ausgebildet, die durch einen Abschirmsteg 79 voneinander getrennt sind. In
den oberen Kammern 77 und den unteren Kammern 78 sind jeweils Isolatorkörper 80,
81 mit schlitzförmigen Ausnehmungen eingesetzt, in denen eine linke obere Elektrode
82,
eine linke untere Elektrode 83, eine rechte obere Elektrode
84 und eine rechte untere Elektrode 85 eingesetzt sind. Die Elektroden sind jeweils
über in der Zeichnung schematisch dargestellte Leitungen mit Koaxialanschlüssen
86 verbunden.
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Wie man in Fig. 5 erkennt, haben die Elektroden streifenförmige Stirnflächen,
mit denen sie aufeinander zuweisen. Der Abstand zwischen diesen Stirnflächen beträgt
je nach dem Abstand der Gehäuseteile 72, 73 0,01 bis 1 mm. Die Stirnflächen- der
Elektroden 82 bis 85 sind beispielsweise etwa 1 mm hoch und 10 mm breit.
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Bei einer Verformung des Prüflings, auf dem die Gehäuseteile 72, 73
befestigt sind, ändert sich die Form und die Größe des Spaltes zwischen den Gehäuseteilen
72, 73 und damit die Geometrie der den Elektroden 82 bis 85 zugeordneten Felder.
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Wenn der Verformungssensor 71 zur Erfassung von reinen Biegungen eingesetzt
wird, werden beispielsweise die Elektroden 82 und 83 als Empfangselektroden geschaltet,
während die Elektroden 84, 85 im gegenüberliegenden Gehäuseteil 73 als Sendeelektroden
geschaltet sind. Für reine Dehnungen ist diese Anordnung unempfindlich. Wenn sowohl
Dehnungen als auch Biegungen erfaßt werden sollen, wird die Elektrode 83 an Masse
gelegt.
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Auch bei dem Verformungssensor 91 gemäß Fig. 6 sind zwei Gehäuseteile
vorgesehen, nämlich ein äußeres u-förmiges Gehäuseteil 92 und ein inneres im Querschnitt
L-förmiges Gehäuseteil 93. Das L-förmige Gehäuseteil besteht aus einer Grundplatte
94 mit zwei Befestigungslöchern 95 in der Nähe des rechten Randes und
mit
einem von der in Fig. 6 nicht dargestellten Prüflingsoberfläche abstehenden Vorsprung
96 am linken Rand. Der vertikale Vorsprung 96 ist Träger zweier Sendeelektroden
97, 98, die durch Isolationsschichten 99 vom Vorsprung 96 galvanisch getrennt sind.
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Das u-förmige Gehäuseteil. 92 verfügt über einen Befestigungsflansch
100 mit Befestigungslöchern 101. Bei der Montage auf der Oberfläche des Prüflings
wird das Gehäuseteil 92 in der in Fig. 6 dargestellten Weise so angeordnet, daß
es den vertikalen Vorsprung 96 klammerartig übergreift. Auf der Innenseite des u-förmigen
Gehäuseteils 92 ist eine Isolatorschicht 102 vorgesehen, auf der sich eine leitende
innere Auskleidung befindet, die die Empfangselektrode 103 des Verformungssensors
91 bildet. Die die Sendeelektroden 97, 98 umhüllende Empfangselektrode 103 hat beispielsweise
einen seitlichen Abstand von 0,5 mm von der Stirnflächen der Sendeelektroden 97,
98. Bei einer Verformung der Prüflingsoberfläche, auf der der Verformungssensor
91 befestigt ist, ändert sich die Form des u-förmigen Spaltes zwischen der Empfangselektrode
103 und dem mit den Sendeelektroden 97, 98 versehenen Vorsprung 96.
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Das u-förmige Gehäuseteil 92 besteht aus Metall und ist geerdet. Bei
0,5 mm Grundabstand zwischen der Empfangselektrode 103 und den Sendeelektroden 97,
98 ergibt sich eine Auflösung von 10 nm beim Einsatz des Verformungssensors 91 als
Dehnungsmesser. Wenn der Verformungssensor 91 als Biegungsmesser eingesetzt wird,
ist die Auflösung besser als eine Gradsekunde. Der Verformungssensor 91 gemäß Fig.
6 zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit sowie eine Quasilinearität auf Dehnungen
und Biegungen aus.