DE3540954A1 - Method for detecting measuring errors to be ascribed to strain gauges mounted on measuring members - Google Patents

Method for detecting measuring errors to be ascribed to strain gauges mounted on measuring members

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Abstract

The invention provides the following method in order, in the case of strain gauges mounted on measuring members, to be able reliably to detect as early as in the initial stage of the measurement process errors that are to be ascribed to the detachment of the strain gauges or to other functional disturbances of the strain gauges: The section of the measuring member provided for measurement of mechanical deformations is firstly subjected to a torque, tensile or compressive load. In this state of the respective preloading, the strain gauges of a first measuring bridge are mounted fixed on the deformation section of the measuring member, and after that the measuring member is unloaded again and subjected anew to a similar load of the same size working in the opposite direction. In this state of loading, the measuring member is fitted with the strain gauges of a second measuring bridge, and subsequently unloaded again (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das es ermöglicht, solche Meßfehler rechtzeitig zu erfassen, die auf an einem Meßkörper angebrachte Dehnmeßstreifen zurückzuführen sind.
Dehnmeßstreifen werden bekanntlich bei Meßwertwandlern in der elektronischen Meßtechnik eingesetzt. Dabei werden die Dehnmeßstreifen, die häufig Zweige einer Wheatstone-Brücke bilden, an geeigneten Stellen des betreffenden Meßkörpers (Dehnkörpers) auf diesen aufgeklebt und erfassen bei der mechanischen Verformung des Körpers dessen Verformungsgrad durch eine entsprechende Änderung ihres elektrischen Widerstands. Die Anordnung der Dehnmeßstreifen, von denen meist zwei oder vier zu einer Halb- bzw. Vollbrücke verschaltet werden, erfolgt so auf dem Meßkörper, daß nur die zu erfassenden Meßgrößen die Meßbrücke verstimmen können; ferner sind auch Temperaturänderungen kompensiert.
Die sogenannten DMS-Wandler werden beispielsweise zum Erfassen von Drücken, Zug-Druckkräften, Torsionen (Drehmomenten) sowie auch zum Ermitteln anderer mechanischer bzw. technischer Grössen eingesetzt.The invention relates to a method which makes it possible to detect in time those measurement errors which are attributable to strain gauges attached to a measuring body.
Strain gauges are known to be used in transducers in electronic measuring technology. The strain gauges, which often form branches of a Wheatstone bridge, are glued to the relevant measuring body (expansion body) at suitable points on the body and, when the body is mechanically deformed, detect its degree of deformation by a corresponding change in its electrical resistance. The arrangement of the strain gauges, of which usually two or four are connected to form a half or full bridge, takes place on the measuring body in such a way that only the measured variables to be detected can detune the measuring bridge; temperature changes are also compensated for.
The so-called strain gauge converters are used, for example, to record pressures, tensile compressive forces, torsions (torques) and also to determine other mechanical or technical variables.

Eine immer wieder auftretende Fehlerursache bei der Verwendung von Dehnmeßstreifen für Überwachungs- und Kontrollaufgaben ist u. a. auch das spontane oder allmähliche Ablösen eines oder mehrerer dieser Streifen von der Unterlage, also vom Meßkörper.A recurring cause of errors in use of strain gauges for monitoring and control tasks is u. a. also the spontaneous or gradual release of one or more of these strips from the base, i.e. from the Measuring body.

Durch die DE-PS 29 04 877 ist eine selbsständig kontrollierende Einrichtung zum Messen von Drehmomenten an mechanischen Verbindungselementen bekannt geworden, die mit einer Schaltungsanordnung zur Kontrolle der selbsttätigen Nullpunktskorrektur ausgestattet ist. Dabei erfolgt die Kontrolle des Nachstellbereichs der automatischen Nullpunktskorrektur sowie der Drehmomentmeßkette vom Meßwertaufnehmer bis zu den Toleranzpunkten zwischen zwei Arbeitsgängen, beispielsweise zwischen zwei Schraubvorgängen.By DE-PS 29 04 877 is an independently controlling Device for measuring torques on mechanical connecting elements  become known with a circuit arrangement to check the automatic zero point correction Is provided. The adjustment range is checked automatic zero point correction and the torque measuring chain from the sensor to the tolerance points between two operations, for example between two screwing operations.

Eine derartige Einrichtung ist einerseits verhältnismäßig aufwendig und ermöglicht andererseits nur das Erkennen eines fehlerhaften Meßwertgebers, wenn der Meßkörper mechanisch entlastet ist. Wenn ein Ablösen eines oder mehrerer der Dehnmeßstreifen von Meßkörper (Torsions- oder Dehnkörper) eintritt, versagt das bekannte Verfahren für diesen Zweck oder es wird zumindest unzuverlässig.On the one hand, such a device is relatively complex and on the other hand only enables the detection of a faulty one Transducer when the measuring body is mechanically relieved is. If one or more of the strain gauges detach of measuring body (torsion or expansion body) occurs, that fails known methods for this purpose or at least it becomes unreliable.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu finden, der es auf einfache Weise ermöglicht, auch während der Belastung eines Meßkörpers bzw. während des Meßvorgangs stattfindende Ablösungsvorgänge von Dehnmeßstreifen oder deren sonstige Funktionsuntüchtigkeit unverzüglich und sicher zu erkennen.It is the object of the invention to find a way to do it allows simple way, even during the stress of a Measuring body or detachment processes taking place during the measuring process of strain gauges or their other inoperability recognizable immediately and safely.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der für die Messung mechanischer Verformungen vorgesehene Abschnitt des Meßkörpers zunächst einer Drehmoment-, Zug- oder Druckbeanspruchung unterworfen wird, in diesem Zustand der jeweiligen Vorbelastung die Dehnmeßstreifen einer ersten Meßbrücke auf die Verformungsstrecke des Meßkörpers fest aufgebracht werden, der Meßkörper danach wieder entlastet und erneut einer in entgegengesetzter Richtung wirkenden, gleichartigen und gleichgroßen Beanspruchung ausgesetzt wird, in diesem Spannungszustand mit den Dehnmeßstreifen einer zweiten Meßbrücke bestückt und im Anschluß daran wieder entlastet wird.This object is achieved in that the for the section of the mechanical deformation intended Measuring body first a torque, tensile or compressive stress is subjected in this state to the respective Preload the strain gauges of a first measuring bridge on the Deformation distance of the measuring body are firmly applied, the The measuring body is then relieved and again one in the opposite Direction, similar and equal stress is exposed in this state of tension with the Strain gauges of a second measuring bridge equipped and in the connection is relieved of it.

Durch entsprechende Verschaltung der beiden Meßbrücken lassen sich mit diesem Verfahren Ablösungen der Dehnmeßstreifen bereits im Anfangsstadium erfassen.By connecting the two measuring bridges accordingly detachment of the strain gauges is already possible with this procedure in the early stages.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments and expedient refinements of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. The invention is explained below with reference to the drawing.  

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Ansicht zweier auf einem Meßkörper in Form eines Torsionsstabes angeordneter Meßbrücken in Verbindung mit einer beispielsweisen Auswerteschaltungsanordnung, Fig. 1 is a schematic view of two on a measuring body in the form of a torsion bar arranged measuring bridges in conjunction with an exemplary evaluation circuit,

Fig. 2 eine vereinfachte Ausbildung und Vereinigung der beiden Meßbrücken gemäß Fig. 1. Fig. 2 is a simplified training and union of the two measuring bridges of FIG. 1.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Abschnitt eines Meßkörpers in Form eines Torsionsmeßstabs bezeichnet, wie er beispielsweise bei Schraubvorrichtungen zur Anwendung kommt. Dieser Torsionsstab wird mittels einer geeigneten, nicht näher dargestellten Einrichtung bzw. mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels mit einem Drehmoment M d1 vorgespannt, das je nach Anwendungsfall bis zu 130% des Nennbereichs des auf den Torsionsstab aufzubringenden Meßwertgebers (Meßbrücke) betragen kann. In diesem vorbelasteten Zustand werden nun die Dehnmeßstreifen R B1 bis R B4 einer ersten Meßbrücke 2 (Wheatstone-Brücke) auf den Torsionsstab in herkömmlicher Weise unter Beobachtung der entsprechenden Vorschriften aufgeklebt.In Fig. 1, 1 denotes a section of a measuring body in the form of a torsion measuring rod, as is used, for example, in screwing devices. This torsion bar is prestressed by means of a suitable device (not shown in more detail) or with the aid of a torque wrench with a torque M d 1 which, depending on the application, can be up to 130% of the nominal range of the transducer (measuring bridge) to be applied to the torsion bar. In this preloaded state, the strain gauges R B 1 to R B 4 of a first measuring bridge 2 (Wheatstone bridge) are now bonded onto the torsion bar in a conventional manner while observing the corresponding regulations.

Nach dem Aufklebevorgang wird der Torsionsstab 1 wieder entlastet und im Anschluß daran in entgegengesetztem Sinn tordiert (M dr ), wobei das aufgebrachte Gegendrehmoment genau so groß bemessen wird wie im vorhergehenden Fall. Bei Aufrechterhaltung dieses Belastungszustands werden nun die Dehnmeßstreifen R B5 bis R B8 einer zweiten Meßbrücke 3 auf den Torsionsstab 1 aufgeklebt. Daraufhin wird der Torsionsstab wieder entlastet.
Die Dehnmeßstreifen bzw. die diese enthaltenden Meßbrücken sind dabei entsprechend den geltenden Vorschriften so auf dem Torsionsstab bzw. auf der Torsionsstrecke verteilt angeordnet, daß auf den Torsionsstab wirkende Biegebeanspruchungen nicht erfaßt werden.After the gluing process, the torsion bar 1 is relieved again and then twisted in the opposite sense ( M dr ), the applied counter torque being dimensioned exactly as large as in the previous case. While maintaining this load condition, the strain gauges R B 5 to R B 8 of a second measuring bridge 3 are now glued onto the torsion bar 1 . The torsion bar is then relieved.
The strain gauges or the measuring bridges containing them are distributed according to the applicable regulations on the torsion bar or on the torsion section in such a way that bending stresses acting on the torsion bar are not recorded.

Die Widerstände R B1 bis R B4 der Meßbrücke 2 sind identisch mit den Widerständen R B5 bis R B8 der Meßbrücke 3. Die beiden Meßbrücken sind elektrisch so verschaltet, daß bei einer Torsionsbelastung des Meßkörpers am Ausgang A 1-A 2 der kombinierten Meßbrücken 2 und 3 stets Null-Spannung ansteht. Das heißt, die Ausgangsspannungen der beiden an der gemeinsamen Eingangsspannung E 1-E 2 liegenden Meßbrücken sind entgegengesetzt gerichtet.The resistors R B 1 to R B 4 of the measuring bridge 2 are identical to the resistors R B 5 to R B 8 of the measuring bridge 3 . The two measuring bridges are electrically connected so that there is always zero voltage at output A 1 - A 2 of the combined measuring bridges 2 and 3 when the measuring body is subjected to torsional stress. This means that the output voltages of the two measuring bridges at the common input voltage E 1 - E 2 are directed in opposite directions.

An jedem der beiden Ausgänge A 1 und A 2 der Brückenkombination ist ein Meßverstärker 4, 5 angeschlossen, an deren Ausgänge die beiden Eingänge eines elektronischen Nullindikators 6 liegen, der beispielsweise durch einen Fensterdiskriminator verkörpert sein kann. Dem Nullindikator 6 sind Signalgeber nachgeschaltet, die beim Ausführungsbeispiel als Lampe 7 und als Hupe 8 ausgebildet sind. A measuring amplifier 4 , 5 is connected to each of the two outputs A 1 and A 2 of the bridge combination, the outputs of which are connected to the two inputs of an electronic zero indicator 6 , which can be embodied, for example, by a window discriminator. The zero indicator 6 is followed by signal transmitters, which in the exemplary embodiment are designed as a lamp 7 and as a horn 8 .

Der den Nullspannungswert überwachende Nullindikator 6 kann nur dann ein Ausgangssignal abgeben, das zum Ansprechen der Signalgeber 7 und/oder 8 führt, wenn sich irgend ein Dehnmeßstreifen vom Meßkörper abgelöst hat oder eine Verstimmung der Meßbrücken durch eine andere Störung verursacht worden ist. Dadurch, daß die beiden Meßbrücken bzw. deren Zweige unter mechanischer Vorspannung des Meßkörpers auf diesen aufgebracht worden sind, tritt beim Ablösen eines Dehnmeßstreifens bereits zu Beginn dieses Vorgangs eine deutliche Brückenverstimmung mit entsprechender Signalgabe auf.The zero indicator 6 monitoring the zero voltage value can only emit an output signal which leads to the response of the signal transmitters 7 and / or 8 if any strain gauge has detached from the measuring body or a detuning of the measuring bridges has been caused by another fault. The fact that the two measuring bridges or their branches have been applied to the measuring body under mechanical pretensioning means that when a strain gauge is detached, a clear bridge detuning with corresponding signaling already occurs at the beginning of this process.

Die Ausgänge der beiden Meßverstärker 4 und 5 sind über Widerstände 9 und 10 zusammengeführt und an den invertierenden Eingang eines mit einem Gegenkopplungswiderstand 11 beschalteten Operationsverstärkers angeschlossen, der eine Additionsstufe 12 bildet. Die Ausgangsspannung der Additionsstufe 12 wird dem +-Eingang einer Kompensationsstufe 13 (Operationsverstärker) zugeführt, an dessen - Eingang ein Potentiometer 14 angeschlossen ist. Der durch die mechanischen Verspannungen des Meßkörpers entstandene Spannungswert, der am Ausgang der Additionsstufe 12 ansteht, wird in der Kompensationsstufe 13 soweit kompensiert, daß bei Drehmoment "Null" die Spannung am Analog-Ausgang 15 dieser Stufe ebenfalls den Wert Null hat.The outputs of the two measuring amplifiers 4 and 5 are brought together via resistors 9 and 10 and connected to the inverting input of an operational amplifier connected to a negative feedback resistor 11 , which forms an addition stage 12 . The output voltage of the addition stage 12 is fed to the + input of a compensation stage 13 (operational amplifier), to the input of which a potentiometer 14 is connected. The voltage value resulting from the mechanical tensioning of the measuring body, which is present at the output of the addition stage 12 , is compensated in the compensation stage 13 to such an extent that with torque "zero" the voltage at the analog output 15 of this stage also has the value zero.

Durch den Anschluß der Ausgänge A 1-A′ und A′-A 2 der Meßbrückenkombination an die im vorstehenden beschriebene Schaltungsanordnung können die normalen Brückenverstimmungen auch zum Erfassen bzw. Messen der auf den Torsionsstab (Meßkörper) einwirkenden Drehmoment benutzt werden.By connecting the outputs A 1 - A ' and A' - A 2 of the measuring bridge combination to the circuit arrangement described above, the normal bridge detuning can also be used to detect or measure the torque acting on the torsion bar (measuring body).

Bei einer Verschiebung der beiden Meßbrücken 2 und 3 gemäß Fig. 2 sind die vier Brückenzweige R B1, R B2 und R B7, R B8 nicht als Dehnungsmeßstreifen, sondern als konstante Festwiderstände (Ersatzwiderstände) R E1 und R E2 ausgebildet, die identisch sind. Dies ist möglich, weil die Dehnmeßstreifen R B1 und R B8 wie auch die Dehnmeßstreifen R B2 und R B7 jeweils parallel miteinander verbunden sind. Durch diese Schaltungsvereinfachung wird die Wirksamkeit der Schaltung praktisch kaum beeinflußt. Eine solche Maßnahme erweist sich vor allem dann als vorteilhaft, wenn der mit den Dehnmeßstreifen zu versehene Torsionsstab für eine einwandfreie Anbringung von acht Dehnmeßsteifen zu wenig Platz bietet. Die Festwiderstände können in einem solchen Fall auch an einer anderen geeigneten Stelle an- bzw. untergebracht werden. Der Ersatz von Dehnmeßstreifen in der aufgezeigten Weise bringt auch den weiteren Vorteil mit sich, daß weniger Brückenwiderstände vorhanden sind, die sich ablösen oder andere Störungen verursachen können.When the two measuring bridges 2 and 3 are shifted according to FIG. 2, the four bridge branches R B 1 , R B 2 and R B 7 , R B 8 are not used as strain gauges, but as constant fixed resistors (equivalent resistors) R E 1 and R E 2 trained who are identical. This is possible because the strain gauges R B 1 and R B 8 as well as the strain gauges R B 2 and R B 7 are each connected in parallel. This simplification of the circuit practically hardly affects the effectiveness of the circuit. Such a measure proves to be particularly advantageous when the torsion bar to be provided with the strain gauges does not offer enough space for the correct attachment of eight strain gauges. In such a case, the fixed resistors can also be attached to another suitable location. The replacement of strain gauges in the manner shown also has the further advantage that there are fewer bridge resistances which can become detached or cause other faults.

Der gemeinsame Ausgang A′ der Meßbrückenkombination ist an die Verbindung 16 der beiden in Reihe liegenden Eratzwiderstände R E1 und R E2 angeschlossen. Es ist auch möglich, anstelle der beiden Ersatzwiderstände R E1 und R E2, die jeweils einen Doppelzweig der beiden Meßbrücken ersetzen, in zwei benachbarten Einzelzweigen jeder Meßbrücke einen Festwiderstand anzuordnen, wobei die Widerstände ebenfalls identisch sind.The common output A 'of the measuring bridge combination is connected to the connection 16 of the two series resistors R E 1 and R E 2 . It is also possible to arrange a fixed resistor in two adjacent individual branches of each measuring bridge instead of the two equivalent resistors R E 1 and R E 2 , which each replace a double branch of the two measuring bridges, the resistors also being identical.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erkennen von auf an Meßkörpern angebrachten Dehnmeßstreifen zurückzuführende Meßfehler, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Messung mechanischer Verformungen vorgesehene Abschnitt des Meßkörpers zunächst einer Drehmoment-, Zug- oder Druckbeanspruchung unterworfen wird, in diesem Zustand der jeweiligen Vorbelastung die Dehnmeßstreifen einer ersten Meßbrücke auf die Verformungsstrecke des Meßkörpers fest aufgebracht werden, der Meßkörper danach wieder entlastet und erneut einer in entgegengesetzter Richtung wirkenden, gleichartigen und gleichgroßen Beanspruchung ausgesetzt wird, in diesem Spannungszustand mit den Dehnmeßstreifen einer zweiten Meßbrücke bestückt und im Anschluß daran wieder entlastet wird.1. A method for recognizing measurement errors due to strain gauges attached to measuring bodies, characterized in that the section of the measuring body provided for the measurement of mechanical deformations is first subjected to a torque, tensile or compressive stress, in this state of the respective preload the strain gauges of a first one Measuring bridge are firmly attached to the deformation section of the measuring body, the measuring body is then relieved and again subjected to a similar and equally large load acting in the opposite direction, in this stressed state equipped with the strain gauges of a second measuring bridge and then relieved. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentbeanspruchung des Meßkörpers in beiden Richtungen bis zu ca. 130% des Nennbereichs der Meßwertgeber beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the Torque load on the measuring body in both directions up to approx. 130% of the nominal range of the sensors. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der beiden Meßbrücken (2, 3) identisch und die Meßbrücken so verschaltet sind, daß bei Belastung des Meßkörpers an den Brückenausgängen (A 1, A 2) stets nur Null-Spannung ansteht.3. Arrangement for performing the method according to claims 1 and 2, characterized in that the resistances of the two measuring bridges ( 2 , 3 ) are identical and the measuring bridges are connected so that when the measuring body is loaded at the bridge outputs ( A 1 , A 2 ) there is always only zero voltage. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Brückenausgänge (A 1, A 2) ein elektronischer Nullindikator (6) angeschlossen ist, der den Nullspannungswert überwacht.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that an electronic zero indicator ( 6 ) is connected to the bridge outputs ( A 1 , A 2 ), which monitors the zero voltage value. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullindikator (6) als Fensterdiskriminator ausgebildet ist. 5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the zero indicator ( 6 ) is designed as a window discriminator. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Ausgänge (A 1, A 2) jeder Meßbrücke (2, 3) ein Meßverstärker (4, 5) angeschlossen ist und den Meßverstärkern eine Additionsstufe (12) nachgeschaltet ist, an deren Ausgang eine Kompensationsstufe (13) liegt, in welcher der durch die mechanische Vorspannung des Meßkörpers entstandene Spannungswert soweit kompensiert wird, daß bei fehlendem Drehmoment (Nullmoment) am Ausgang (15) der Schaltungsanordnung Null-Spannung ansteht.6. Arrangement according to claims 3 to 5, characterized in that a measuring amplifier ( 4 , 5 ) is connected to the two outputs ( A 1 , A 2 ) of each measuring bridge ( 2 , 3 ) and the measuring amplifiers are followed by an addition stage ( 12 ) is at the output of a compensation stage ( 13 ), in which the voltage value created by the mechanical bias of the measuring body is compensated to such an extent that zero voltage is present at the output ( 15 ) of the circuit arrangement when there is no torque (zero torque). 7. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte Zweige einer Meßbrücke als konstante und identische Festwiderstände ausgebildet sind.7. Arrangement according to claims 3 to 6, characterized in that two adjacent branches of a measuring bridge as constant and identical fixed resistors are trained. 8. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelzweig jeder Meßbrücke durch jeweils einen identischen Widerstand (R E1, R E2) verkörpert ist, wobei die beiden Widerstände in Reihe geschaltet sind und ein Ausgang (A′) der kombinierten Meßbrücken an die Verbindung (16) der beiden Widerstände (R E1, R E2) angeschlossen ist.8. Arrangement according to claims 3 to 6, characterized in that a double branch of each measuring bridge is embodied by an identical resistor ( R E 1 , R E 2 ), the two resistors being connected in series and an output ( A ' ) the combined measuring bridges is connected to the connection ( 16 ) of the two resistors ( R E 1 , R E 2 ).
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