KR101505255B1 - 변형 게이지 기반의 변환기에서의 회로 보상 - Google Patents

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Abstract

특히 변환기 온도가 변할 때, 보다 일관된 크리프 응답을 제공하는 휘트스톤 브리지에서의 변환기 상의 포일 변형 게이지를 선택하고 적절히 배치시키는 방법론이 개시된다. 변환기는 장력 및 압축 변형(각각 포지티브 및 네가티브)을 제공하는 소정의 물리적 하중을 받는 카운터포스를 포함하다. 변환기는 또한 카운터포스의 장력 및 압축 변형 영역에서 상기 카운터포스에 조작적으로 부착되어 전기 신호를 발생하는 복수의 변형 게이지 그리드를 포함한다. 복수의 변형 게이지는 크리프로 인한 전기 신호가 상쇄되는 휘트스톤 브리지에서 전기적으로 접속된다.

Description

변형 게이지 기반의 변환기에서의 회로 보상{CIRCUIT COMPENSATION IN STRAIN GAGE BASED TRANSDUCERS}
본 출원은 2009년 7월 28일 출원된 미국 가출원 제61/229,123호에 이득을 주장하고, 충분히 진술된 것처럼 참조에 의해 통합된다.
본 발명은 변형 게이지에 관한 것이고, 보다 구체적으로 크리프 보상을 포함한 변형 게이지에 관한 것이다.
변형 게이지 기반의 변환기는 다양한 응용에서 기계적 입력(예를 들어, 중량, 힘, 질량, 토크, 압력, 편향/변위)을 전기적 출력으로 변환하기 위해 사용된다. 그러한 모든 장치에 대한 기초는 동일하다. 특히, 기계적 반응 장치(일반적으로, 스프링 또는 카운터포스라고 함)가 특정 입력에 반응하여 적용되는 입력과 비례하여 변하는 측정가능한 표면 변형(surface strain)으로 입력을 변환하도록 설계된다. 변환기 카운터포스(counterforce)에 부착된 변형 게이지는 전기 저항에서의 변화를 갖는 표면 변형을 감지하여 이것에 반응한다. 카운터포스는 일반적으로 고품질 공구강(예를 들어, 4340 또는 4140) 또는 고도로 가공처리된(강화된/열 처리된) 스테인리스강(예를 들어, 17-4PH 또는 17-7PH), 또는 열 처리된 고급 알루미늄(예를 들어, 2024-T351 또는 2024-T81), 또는 베릴륨 구리나 N-Span C와 같은 다른 우수한 스프링 재료로 기계화될 수 있다. 그러나, 폴리머가 사용되는 특별한 경우가 있고(예를 들어, 에폭시 글라스 적층판 또는 주조/사출 성형된 플라스틱), 여기서는 세라믹 재료가 사용된다(예를 들어, Al2O3 99+퍼센트). 사실, 변화기 이력의 과정에 걸쳐 사실상 생각할 수 있는 재료 모두가 카운터포스에 대한 기초로서 한번쯤은 사용되어왔다. 본 발명은, 카운터포스로서 사용되기 위해 선택된 어떤 재료와 잘 작동하는, 어떤 하나의 재료 또는 심지어 재료의 분류에 한정되지 않는다.
모든 경우에 있어서, 변형 게이지 기반의 변환기는 물리적 하중 또는 입력을 전기적 출력으로 변환하기 위해 사용된다. 최고 레벨의 변환기 정밀도를 성취하는 것은 장치에서 특정 정밀도-제한 효과를 보상하는 것을 요구하고, 그 일부는 크리프와 같은 스테인 게이지/변환기 시스템에 내재되어 있고, 그 일부는 온도 변화와 같은 외부 효과이며, 그 일부는 소위 크리프 TC라고 하는 크리프와 온도 변화 등의 조합이다. 일례로서, 로드 셀이 계량 산업에서 중량(질량/힘)을 비례하는 전기적 신호로 변환하기 위한 변환기로서 사용된다. 로드 셀은 특정 지점에서 반복가능하고 동등한 크기에 준하는(quasi-equal-magnitude) 표면 변형을 제공하도록 기계적으로 설계됨으로써, 변형 중 2가지는 인장(포지티브)이고 2가지는 압축(네가티브)이다. 그러한 지점에서 접합된 전기 저항 변형 게이지는 적용된 중량으로 인한 표면 변형을 비례하는 전기적 신호로 변환한다. 변형 게이지는 전기 회로, 전형적으로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)로 접속되고, 그것은 출력 신호를 최적화한다.
변화기에서 전형적으로 사용되는 휘트스톤 브리지 전기 회로에는 전원뿐만 아니라 4개의 변형 게이지가 도 1c에서 도시된 바와 같이 직렬/병렬 회로로 함께 배선되어 있다. 이 회로의 전기적 본질은 브리지의 저항이 균형잡힐 때(즉, 4개의 변형 게이지 모두가 거의 동일한 저항값에 있을 때) 출력 단자(O1 및 O2) 양단에 전압이 존재하지 않는다는 것이다. 역으로, 변형 게이지가 상당히 상이한 저항에 있을 때 가해진 전압 Vi에 비례하여 O1 및 O2 양단에 작은 전압이 측정될 수 있다. 특히, 게이지 1 및 3의 전기 저항이 증가하고 게이지 2 및 4의 전기 저항이 감소할 때 비례하는 최대 출력 전압이 단자 O1 및 O2 양단에 존재하게 된다. 이 때문에 변환기 설계는 포지티브 및 네가티브 변형을 통합하여 그러한 위치에 접합된 게이지가 적용된 중량으로 저항을 각각 증가 및 감소하므로; 주어진 적용 중량을 위한 변환기로부터의 전압 신호를 최대화할 것이다(민감도 최대화).
계량 산업 내에는 소위 무역에 합법적인(legal-for-trade) 응용에서 사용되는 로드 셀의 분류가 있다. 그러한 무역에 합법적인 로드 셀은 OIML R60(Organization Internationale de Metrologie Legal)과 같은 국제적으로 인증된 표준으로부터 엄격한 자격 테스트를 통과해야 한다. 그러한 테스트의 결과는 성취가능한 중량의 해상도(resolution)에 의거하여 특정된 온도 범위(일반적으로 -10 내지 +400℃) 이상의 로드 셀을 분류한다. 분류 메트릭은 해상도의 디비전( division)이다. 예를 들어, 0.033%의 최대 총합 오차(combined error)를 갖는 로드 셀은 3000D(3000디비전) 정밀도로서 분류된다.
로드 셀 본체의 기계적 설계 및 생산, 및 변형 게이지의 성능 특성 및 그 설치를 포함한 여러 요인이 로드 셀의 분류 카테고리에 영향을 주도록 공모된다. 변형 게이지 성능 파라미터 중에서 크리프가 로드 셀 분류에 매우 중요하다. 다른 오차 기여 모두를 무시하고, 예시적인 분류(3000D) 내에서 허용가능한 코드-슬로프(cord-slope) 크리프는 0.0233%FS/min(분 당 퍼센트 풀-스케일)이다.
변환기 크리프는 안정 상태 환경 조건하에 안정된 물리적 조건 또는 입력(로드 셀의 예인 경우에 중량)과 함께 변하는 출력으로서 정의된다. 변형 게이지는 특정 변환기 설계의 내재된 재료 크리프를 보상하도록 주문 설계된다. 로드 셀 예에 대한 크리프의 대표적인 플롯이 도 2a에 나타내어지고, 도면은 크리프가 비선형 현상이라는 것을 분명히 나타내지만, 크리프를 수량화하는데 일반적으로 사용되는 코드 슬로프값을 또한 표시한다. 또한, 크리프 성능은 변할 수 있고, 그것은 변환기 온도가 초기 크리프 보상에 사용되었던 온도(일반적으로, ~24℃인 실온 T)로부터 변하였을 때 일반적으로 이전 크리프 보정법을 사용하여 변화시킨다. 크리프에 있어서 온도 변화는 무역에 접합한 로드 셀의 가능한 분류에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 특정 온도 범위 이상의 크리프 측정의 결과는 크리프 TC라고 칭한다. 일부 서버 애플리케이션에 있어서, 온도 범위는 T+/-200℃일 수 있다.
여러 변수가 변형 게이지 크리프에 영향을 미치고, 변수는 변형 게이지가 생산되는 저항성 재료(전기 도전체), 지오메트리(예를 들어, 게이지 길이, 단면 치수, 엔드 루프 사이즈, 형상, 및 배향), 구조(게이지를 구축하는데 사용되는 재료, 존재한다면, 절연 차단 및 절연 오버레이 포함), 및 설치(시멘트의 두께 및 유형, 게이지 위치 결정)을 포함하지만 그것에 한정되지 않는다. 변환기에 사용되는 가장 흔한 유형의 변형 게이지는 얇은 금속-포일 변형이고, 도 3에 개략적으로 나타내어진다. 게이지는 1차 측정 길이(게이지 길이) L, 1차 측정 폭(게이지 폭) Z, 구불구불한 그리드 R, 솔더 패드 접속부 M, 복수의 크리프 제어 엔드 루프 K, 상부 얼라인먼트 가이드 P, 및 하부 얼라인먼트 가이드 N로 구성된 복수의 그리드 라인 T, 주요 측정 축 J, 절연 차단 (캐리어) U로 구성된다.
이전 방법은 약 0.0175%/min의 정격 풀-스케일 출력으로의 실온에서의 변화기 크리프의 편리한 제어; 4000D를 조금 넘는 로드 셀 예에 대해 OIML R60으로부터 산출하는 경우를 감안하였다. 크리프 보상을 성취하는 하나의 이전 방법은 크리프 성분을 최적화하기 위해 변형 게이지 엔드 루프(도 3에서 K)를 선택하는 것이다. 이것은 물론 이미 언급된 클리프 상의 다른 영향의 적절한 제어를 상정하고 있다. 이러한 방법은 의도된 분류를 위해 가능한 작거나, 적어도, 충분한 코드 슬로프를 제공하기 위해 선택된 엔드 루프 길이를 갖는 4개의 동일한, 또는 거의 동일한 변형 게이지를 이용한다. 이러한 이전 방법을 사용하여 변환기의 생산 운전으로부터 가능한 최저 크리프 슬로프(최고 변환기 해상도)를 달성하도록 시도될 때, 전형적으로 생산 로트의 등급을 나눌 필요가 있고, 그에 따라 로트로부터의 개별 변환기가 높은 기준을 성취할 것이라는 연역적인 보장 없이 로트로부터의 모든 변환기가 테스트되고 그들 테스트 결과에 분류된다.
상기 언급된 이전 크리프 보상 방법 상의 접합한 변동은 서로 약간 다른 변형 게이지에 대한 엔드 루프 길이를 선택하는 것이다. 이런한 방법에 관하여, 동등한 엔드 루프 길이를 갖는 3개의 변형 게이지 및 하나의 상이한 변형 게이지; 또는 동등한 엔드 루프 길이를 갖는 2개의 게이지 및 동등하지만 처음 2개와 상이한 길이를 갖는 다른 2개의 게이지가 있을 수 있거나; 또는 모든 게이지는 약간 상이한 엔드 루프 길이를 가질 수 있다. 이러한 크리핑 특성의 작은 차이는 거의 동일한 변형 게이지라고 말할 수 있는 것을 사용하여 성취된다. 이러한 실행은 어떤 게이지가 변환기를 구축할 때 보유되고 낮은 크리프 결과를 위해 결합되는지에 대한 실질적인 관심으로부터 주로 발달된다; 즉 방법은 인벤토리 실현가능성으로 인해 자연스럽게 발달된다. 이 방법을 사용하여 하나의 온도에서 우수한 크리프 결과를 성취하는 것이 가능하지만, 동일한 변형 게이지의 보다 일반적이고 실질적인 사용을 넘는 크리프 TC 성능에서의 어떤 향상을 제공할 필요는 없다.
변환기 크리프 보상을 성취하는 다른 방법이 제안됨으로써 변형 게이지의 전체 강도는 백킹 수지(backing resin)와 혼합된 보강 섬유의 양을 변화시킴으로써 변한다. 이 방법은 카운터포스와 변형 게이지 사이의 상대적인 강도차와 크리프 사이의 관계에 기반을 둔다. 이 기술에 관한 명백한 하나의 한정은 혼합된 수지 백킹 시스템에 대해서만의 적용성이고, 그것은 업계 내에 사용되는 지배적인 유형이 아니다.
전체 -10 내지 +400℃ 온도 범위에 걸친 고해상도 크리프 보상을 성취하는 것은 그러한 이전 기술의 도전적인 양상이다. 다른 방법에 있어서, 다양한 전기적 구성이 변형 게이지 회로에 설계될 수 있고, 에칭시 변형 게이지 그리드와 함께 형성된다. 이러한 구성은 초기에 전기적으로 비활성화되지만, 적절한 분류기(electrical shunt)를 차단함으로써 능동 소자로서 회로에 나중에 도입될 때 변환기는 온도에서의 변화에 의해 발생되는 크리핑에서 어떤 변동을 포함하여 크리프 보상될 수 있다. 이 작업은 게이지가 변화기 상에 설치된 후에 수행된다. 이러한 방법의 단점은 1) 보다 복잡하고 고가의 변형 게이지 설계 및 생산; 및 2) 원 위치(in situ)에서의 크리프 특성의 세심하고 선택적인 '트리밍'이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 변환기 출력에 의해 보이는 바와 같은 변형 게이지 크리프는 점탄성 현상이다고 알려져 있다. 따라서, 동일한 엔드 루프를 갖는 게이지를 선택하는 방법 및거의 동일한 엔드 루프를 갖는 게이지를 선택하는 방법을 포함하는 이전의 크리프 보상 방법을 사용할 때 전형적인 변화기 크리프 결과가 도 1b에 도시된 그래프에 의해 나타내어질 수 있다. 도 4는 전체 변화기 크리프를 발행하도록 휘트스톤 브리지 회로에 결합하는 로드 셀에 접합된 장력 및 압축 변형 게이지로부터 대응하는 대표적인 독립 변형 게이지 크리프를 나타낸다. 도 4로부터 시간에 따른 출력 변화에 대한 2개의 곡선(장력 변형 게이지를 위한 하나의 곡선, 압축 변형 게이지를 위한 하나의 곡선)에 의해 나타내어지는 바와 같은 크리프의 방향은 부호가 반대이다는 것이 명백하다; 장력 게이지는 출력에서 감소하는 것으로 나타나고(보다 네가티브가 됨) 압축 게이지는 출력에서 증가하는 것으로 나타난다(보다 포지티브가 됨). 휘트스톤 브리지의 특성 본질에 대하여 미리 주목된 바와 같이, 2개의 반대되는 크리프 방향의 브리지로부터의 전기적 결과(비례하는 출력 전압)는 크리프에 의해 야기되는 전기적 신호의 부분에서의 증가이고; 2개의 신호에 더하여 반대 부호의 신호를 감산하는 것이 초래된다.
그러므로, 이전의 방법은 공통의 결과를 수용하고, 크리프 보상은 물리적인 어 상쇄를 통하여 성취되지만(즉, 포지티브 카운터포스 크리프는 결합된 네가티브 장력/압축 변형 게이지 크리프에 의해 카운터링됨) 여기서 개시된 바와 같이 전기적 상쇄를 통하여 이 문제가 해결되지 않는다.
여기에, 특히 변환기 온도가 변할 때, 보다 일관된 크리프 응답을 제공하는 휘트스톤 브리지에서의 변환기 상의 포일 변형 게이지를 선택하고 적절히 배치시키는 새로운 방법론이 개시된다. 특히 이로운 변환기 카운터포스는 소위 쌍안(binocular) 또는 역-밴딩(reverse-bending) 설계이고, 이것에 의해 카운터 포스 상에 2개의 위치는 작은 면적의 집중된 장력 변형을 갖고, 2개의 위치는 작은 면적의 집중된 압축 변형을 갖는다. 동시적으로, 카운터포스의 상부 상의 2개의 반대하는 변형 각각과 카운터포스의 저부 상의 2개의 반대하는 변형 각각이 있다. 여기에 개시된 바와 같이, 적절한 크리핑 특성을 갖는 변형 게이지가 그러한 4위치에서 부착된다; 장력 변형 게이지는 장력 영역 위에 부착되고, 압축 변형 게이지는 압축 영역 위에 부착된다. 이러한 카운터포스 설계는 크리핑과 반드시 연관되는 것은 아닌, 카운터포스의 길이를 따른 온도 구배로 인한 효과가 브리지 회로에 의해 자연스럽게 보상되므로 특히 매력적이다.
변환기 크리프의 보정을 위한 이전 방법은 변형 게이지에 의해 데드웨이트(deadweight) 하중된 변환기의 내재된 포지티브 크리프를 동등한 네가티브 크리프에 정확하게 매칭시키는 것에 의존하고; 따라서 2개의 독립 크리프[변환기 크리프+(4개의 변형 게이지의 결합된 크리프)=0] 사이에서 균형을 유지하여 시간에 따른 정상 변환기 출력을 초래한다. 이러한 보정에 고유한 특성은 4개의 변형 게이지로부터의 전체 크리프가 변형 게이지(모든 게이지는 동등하거나 거의 동등하게 선택된다) 사이의 상대적인 크리프 매칭에 관련없이 변환기 크리프를 보상하도록 매칭된다는 것이다. 자동으로, 결합된 변형 게이지 크리프는 변환기 크리프에 대하여 부호가 반대일 필요가 있다.
여기에 개시된 기술은 휘트스톤 브리지 회로의 전기적 성질을 사용한다. 도 2a를 참조하면, 변형 게이지 크리프를 변환기 카운터포스의 크리핑에 정확하게 매칭시키는 대신에 2개의 장력 변형 게이지가 2개의 압축 변형 게이지(예를 들어, 양측 모두 포지티브)와 동등한 크기 및 동일 부호 크리프 결과를 제공하도록 선택된다. 그러한 대표적인 변형 게이지 크리프 곡선은 도 5에 나타내어진다. 휘트스톤 브리지 회로의 연산 결과로서, 장력 및 압축 변형 게이지로부터의 크리프에 의해 야기되는 동등한 저항 변화가 브리지 회로에서 결합되면 그들은 상쇄되고; 그에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 크리핑 결과를 상쇄한다. 따라서, 결합된 변형 게이지 크리프는, 이전 방법에서와 같은, 더 이상 정확하지만 부호가 반대인 데드웨이트 하중된 변환기 카운터포스의 크리프로의 매칭이 아니지만, 각각 휘트스톤 브리지에서 결합되어 상쇄되도록 장력 및 압축 변형 게이지 크리핑 특성 사이에서의 매칭을 대신한다.
예를 들어, 단지 현저히 포지티브한 크리핑을 갖는 압축 변형 게이지를 선택한 후, 동등한 포지티브 크리핑을 갖는 장력 변형 게이지를 매칭할 필요가 있다. 변환기 카운터포스에 정확하게 매칭되지만 부호가 반대인 크리핑을 갖는 변형 게이지를 선택할 필요가 또한 없다.
이러한 구조의 이로운 실시형태는 변환기 온도가 초기 크리프 보정이 성취되는 온도부터 변할 때에(향상된 크리프 TC) 적합한 변환기 크리프 성능이고; 예를 들어, -10 내지 +400℃의 전체 무역에 합법적인 온도 범위 상에 있다. 압축 변형 게이지에 포지티브 크리프를 매칭하는 장력 변형 게이지를 선택하면[압축 변형 게이지에 사용되는 것보다 짧은 엔드 루프-예를 들어 1/2의 길이(50%)를 갖는 장력 변형 게이지를 선탬함으로써] 크리브 온도 변화는 장력 및 압축 변형 게이지 사이에서 등등하게 이루어질 수 있고, 어떤 온도에서의 크리프 신호 성분은 휘트스톤 브리지에서 상쇄된다. 장력 및 압축 변형 게이지가 상이한 크리프 TC 특성을 나타내는 이전 방법론을 사용한 동일한 또는 거의 동일한 변형 게이지의 선택과는 대조적으로 포지티브 장력 및 압축 크리핑에 대하여 변형 게이지가 적절하게 선택될 때 얻어지는 유사한 크리프 TC 특성으로 인해 이러한 이로운 실시형태가 가능하다.
첨부되는 도면과 함께 예시로 주어지는 다음의 설명으로부터 보다 상세하게 이해될 수 있다.
도 1a는 변환기 출력에 의해 나타내어지는 바와 같은 변형 게이지 크리프가 점탄성 현상임을 나타낸다.
도 1b는 전현적인 변환기 크리프를 나타내는 그래프이다.
도 1c은 변환기에 관련하여 전형적으로 사용되는 휘트스톤 브리지 전기 회로를 나타낸다.
도 2a는 로드 셀의 대표적인 플롯을 나타내는 그래프이다.
도 2b는 물리적인 크리프 상쇄 작용을 나타내는 그래프이다.
도 3은 변형 게이지의 도면이다.
도 4는 로드 셀에 접합된 장력 및 압축 변형 게이지로부터의 변형 게이지 크리프(네가티브 및 포지티브 크리프)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 로드 셀에 접합된 장력 및 압축 변형 게이지로부터의 변형 게이지 크리프(양측 모두 네가티브 크리프)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 크리프 상쇄를 갖는 변형 게이지 크리프를 나타내는 그래프이다.
도 7은 카운터포스 설계를 갖는 쌍안 변환기의 도면이다.
도 8a는 여러 전기 접속(1, 2, 3, 4)의 위치를 나타내는 쌍안 변환기의 도면이다.
도 8b는 도 8a의 변환기에 연결된 휘트스톤 브리지 전기 회로이다.
도 9는 변환기 크리프(실온 크리프 포함)의 플롯을 나타내는 그래프이다.
도 10은 동일한 엔드 루프를 갖는 변형 게이지를 사용할 때의 변환기 크리프의 플롯을 나타내는 그래프이다.
도 11은 물리적 및 전기적 상쇄를 결합할 때의 변환기 크리프의 플롯을 나타내는 그래프이다.
도 7은 쌍안 변환기(binocular transducer) 카운터포스 설계를 나타낸다. 카운터포스는 하나의 단부 A에 고정되고, 대향하는 단부 B 상에 데드웨이트(물리적 하중)으로 하중된다. C로 지시된 위치가 장력 변형(포지티브)의 영역이고, D로 지시된 위치가 압축 변형(네가티브)의 영역이다. 변형 게이지는 일반적으로 카운터포스의 주요 측정축 E와 얼라이닝된 주요 측정축(도 3에서 J)으로 부착된다. 중량 또는 환경으로부터의 변환기의 다른 응답을 보상하도록 소망되면 변형 게이지는 방향 E에서의 완벽한 얼라인먼트로부터 약간 오프셋(회전되거나 옮겨짐)될 수 있고, 개시된 구조는 유효하게 남고 잘 작동한다.
변형 게이지는 예를 들어 접착제, 직접 적층 또는 어떤 다른 프로세스에 의해 카운터포스에 고정되고, 도 8b에 나타낸 바와 같은 휘트스톤 브리지 회로로 어 배선된다. 4개의 변형 게이지가 휘트스톤 브리지 회로로 적절하게 전기적으로 접속된다는 것이 유일한 기준이다. 전기 접속(L1, L2, L3 및 L4)은 각각 변환기를 위한 공급 및 신호 단자 세트를 형성한다(도 8a). 또한, 도 8b는 관련 브리지 전압 출력 e0/E에 대한 지배 방정식을 나타내고, 이것은 각 변형 게이지의 변형 레벨 상의 이 파라미터의 의존성을 수식화한다. 이러한 수식으로부터 브리지 전압 출력에 관한 변형 게이지 1 및 2의 결합된 기여는 마이너스이다는 것이 증명될 수 있다. 따라서, 양측 게이지로부터 동일한 신호가 존재한다면 관련 브리지 전압 상의 결합된 결과는 눌(null)이다(2개의 동등 신호 사이의 차이는 제로이다). 이것은 여기에 개시된 구조를 위한 기반이다. 변환기 크리핑 특성에 상관없이 장력 및 압축 게이지 사이에서 크리핑 특성을 매칭하는 변형 게이지가 선택되고, 브리지에서 2개의 동등한 신호가 결합되어 전기적으로 상쇄된다.
이전 방법에 있어서, 크리프 보상은 카운터포스의 물리적인 확장을 카운터링하는 변형 게이지의 물리적인 완화에 영향을 받는다. 변형 게이지는 카운터포스가 확장되는 것과 동일한 비율로 완화되므로 변형 게이지의 전기 저항에서 변화가 없고 휘트스톤 브리지로부터의 출력 신호에서 변화가 없다. 이러한 물리적인 크리프 상쇄 작용이 도 2b에 도시되고, 여기서 변형 게이지에 대한 크리프 곡선(하부 곡선)은 카운터포스에 대한 크리프 곡선(상부 곡선)으로부터 감산될 때 변환기로부터 안정된 전기 출력 신호를 산출한다.
이전의 물리적 크리프 보정 방법과 대조적으로, 이 개시는 휘트스톤 브리지의 가산 특성(summing characteristic)을 사용하여 전기적으로 크리프 보정을 성취하도록 겨냥하고 있다. 크리프 변형 신호가 장력 및 압축 변형 게이지 사이에서 동등한 크기 및 동일한 부호를 갖도록 변형 게이지 크리핑 특성을 조정함으로써, 그러한 동등한 크리프 신호가 브리지에서(변형 게이지 1 및 2에 대해, 및 변형 게이지 3 및 4에 대해) 결합될 때, 그 결과는 제로이고 크리프 신호는 전기적으로 상쇄된다.
미리 명시된 바와 같이, 이러한 크리프 변형 신호의 매칭의 이점 및 중요한 향상은 변형 게이지 크리프 매칭을 정확하게 성취함으로써 크리프 TC도 향상된다는 것이다. 일례에 있어서, 매칭은 장력 변형 게이지에 비해 압축 변형 게이지에 대하여 매우 긴 엔드 루프 구성을 사용함으로써 성취된다. 구체적으로, 도 7에서 웹 두께 F가 2.10㎜이고, 카운터포스가 2024-T351 알루미늄 또는 동등물로 기계화되면(대략 30㎏ 용량을 갖는 변환기를 생산함), 0.1778㎜ 길이의 장력 변형 게이지 엔드 루프 및 0.4382㎜ 길이의 압축 변형 게이지 엔드 루프를 사용하여 2세트의 스트레인 게이지 사이의 파라미터가 동등해지는 모든 다른 설계 및 구조에 관하여 이전 기술에 비교하여 우수한 실온 크리프 보상 및 크리프 TC를 제공할 것이다. 스트레인 게이지 크리프를 조정하는 다른 방법이(예를 들어 장력 및 압축 변형 게이지의 관련 그리드 설계-라인 및 스페이스-를 변경함으로써; 또는 다른 예로서 장력 및 압축 게이지 사이의 캐리어 재료를 변경함으로써) 이용될 수 있고, 그들 방법은 또한 본 발명의 일부로서 청구된다.
상기 예를 사용하여, 자동으로 실온 크리프를 포함하는 결과적인 변환기 크리프 TC의 플롯이 도 9에 나타내어진다. 도 10은 이전의 크리프 보정 방법이 사용될 때; 구체적으로 동일한 엔드 루프를 갖는 변형 게이지의 등가 변환기 크리프 TC의 플롯이다. 더 평평한 크리프 TC 곡선이 향상 성취를 증명하므로, 모두 3개의 테스트 온도에서 등가 크리프 보상을 제공하고, 따라서 더 높은 무역에 합법적인 변환기 분류를 허용한다.
본 발명은 이전 방법과 호환되는 추가의 이점을 갖고, 이점 기술과 동일한 변환기에서 결합되어 크리프 TC를 거의 완벽하게 제거할 수 있다. 구체적으로, 이전 방법은 결합된 장력/압축 변형 게이지 크리프가 변환기 소자의 물리적 크리프를 상쇄하도록 변형 게이지를 사용하고, 본 발명은 포지티브 및 네가티브 크리핑 특성이 서로 상쇄하도록 변형 게이지를 선택한다. 물리적인 및 전기적인 상쇄를 결합함으로써 크리프의 온도 변화는 도 11에 나타낸 바와 같이 거의 완벽하게 제거된다.
당업자에 의해 본 발명은 일반적으로 크리프로서 알려진 가변 성분만 상쇄하고, 변환기의 원하는 측정은 상쇄되지 않는다는 것이 이해될 것이다.

Claims (7)

  1. 변환기에 있어서,
    각각 포지티브 및 네가티브인 장력 변형 및 압축 변형 영역들을 제공하는 미리 결정된 물리적 하중을 받는 카운터포스; 및
    상기 카운터포스의 장력 변형 및 압축 변형 영역들에서 상기 카운터포스에 동작 가능하게(operatively) 부착되어 전기적 신호들을 생성하는 복수의 변형 게이지 그리드
    를 포함하고,
    상기 복수의 변형 게이지가 휘트스톤 브리지 회로에 전기적으로 접속되어, 상기 휘트스톤 브리지 회로 내에서 동등한 크기 및 동일한 부호의 장력 변형 및 압축 변형의 전기적 크리프 신호들을 결합함으로써 상기 전기적 크리프 신호들을 상쇄하고,
    상기 휘트스톤 브리지 회로는, 적어도 제1 및 제2 입력 단자와, 적어도 제1 및 제2 출력 단자와, 적어도 제1 내지 제4 변형 게이지와, 적어도 제1 내지 제4 접속부(junction)를 가지고, 제1 입력 단자는 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제1 변형 게이지와 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제4 변형 게이지의 사이에 접속되는 제1 접속부에 접속하고, 제2 입력 단자는 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제2 변형 게이지와 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제3 접속부에 접속하고, 제1 출력 단자는 제4 변형 게이지와 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제4 접속부에 접속하고, 제2 출력 단자는 제1 변형 게이지와 제2 변형 게이지의 사이에 접속되는 제2 접속부에 접속하는 것인, 변환기.
  2. 온도 보상된 변환기에 있어서,
    각각 포지티브 및 네가티브인 장력 변형 및 압축 변형을 제공하는 미리 결정된 물리적 하중을 받는 카운터포스; 및
    상기 장력 변형 및 압축 변형 영역들에서 상기 카운터포스에 동작 가능하게 부착되어 소정의 온도 T에서 상기 카운터포스에서의 물리적인 변화를 보상하는 복수의 변형 게이지 그리드
    를 포함하고,
    상기 복수의 변형 게이지는 T+/-200℃인 온도 범위에 걸쳐 전기적 신호들을 생성하며,
    상기 복수의 변형 게이지는 휘트스톤 브리지 회로에 전기적으로 접속되고, 상기 장력 변형 및 압축 변형 영역들 사이에서 전기적 크리프 신호들은 동등한 크기 및 동일한 부호이고, 상기 장력 변형 및 압축 변형 영역들로부터의 동등한 전기적 크리프 신호들이 상기 휘트스톤 브리지 회로 내에서 결합될 때에, 상기 휘트스톤 브리지 회로의 가산 특성(summing characteristics)에 의해 상기 전기적 크리프 신호들이 상기 T+/-200℃인 온도 범위에 걸쳐 전기적으로 상쇄되며,
    상기 휘트스톤 브리지 회로는, 적어도 제1 및 제2 입력 단자와, 적어도 제1 및 제2 출력 단자와, 적어도 제1 내지 제4 변형 게이지와, 적어도 제1 내지 제4 접속부를 가지고, 제1 입력 단자는 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제1 변형 게이지와 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제4 변형 게이지의 사이에 접속되는 제1 접속부에 접속하고, 제2 입력 단자는 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제2 변형 게이지와 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제3 접속부에 접속하고, 제1 출력 단자는 제4 변형 게이지와 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제4 접속부에 접속하고, 제2 출력 단자는 제1 변형 게이지와 제2 변형 게이지의 사이에 접속되는 제2 접속부에 접속하는 것인, 온도 보상된 변환기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 온도 보상된 변환기에 있어서,
    각각 포지티브 및 네가티브인 장력 변형 및 압축 변형을 제공하는 미리 결정된 물리적 하중을 지지하는 카운터포스;
    상기 장력 변형 및 압축 변형 영역들에서 상기 카운터포스에 동작 가능하게 부착되어 소정의 온도 T에서 상기 카운터포스에서의 물리적인 변화를 보상하는 복수의 변형 게이지 그리드
    를 포함하고,
    상기 복수의 변형 게이지는 T를 포함하는 온도 범위에 걸쳐 크리프 성분을 포함하는 전기적 신호들을 생성하며,
    상기 복수의 변형 게이지는 휘트스톤 브리지 회로에 전기적으로 접속되어, 상기 휘트스톤 브리지 회로 내에서 동등한 크기 및 동일한 부호의 전기적 크리프 신호들을 결합하고 상기 휘트스톤 브리지 회로의 가산 특성에 의해 상기 전기적 크리프 신호들을 상기 온도 범위에 걸쳐 상쇄하며,
    상기 휘트스톤 브리지 회로는, 적어도 제1 및 제2 입력 단자와, 적어도 제1 및 제2 출력 단자와, 적어도 제1 내지 제4 변형 게이지와, 적어도 제1 내지 제4 접속부를 가지고, 제1 입력 단자는 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제1 변형 게이지와 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제4 변형 게이지의 사이에 접속되는 제1 접속부에 접속하고, 제2 입력 단자는 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제2 변형 게이지와 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제3 접속부에 접속하고, 제1 출력 단자는 제4 변형 게이지와 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제4 접속부에 접속하고, 제2 출력 단자는 제1 변형 게이지와 제2 변형 게이지의 사이에 접속되는 제2 접속부에 접속하는 것인, 온도 보상된 변환기.
  6. 변환기를 제조하는 방법에 있어서,
    각각 포지티브 및 네가티브인 장력 변형 및 압축 변형을 제공하는 미리 결정된 물리적 하중을 받는 카운터포스를 갖는 변환기를 형성하는 단계;
    상기 카운터포스의 장력 변형 및 압축 변형 영역들에서 상기 카운터포스에 동작 가능하게 부착되어 전기적 신호들을 생성하는 복수의 변형 게이지 그리드를 제공하는 단계; 및
    상기 복수의 변형 게이지를 휘트스톤 브리지 회로에서 접속하는 단계로서, 상기 장력 변형 및 압축 변형 영역들 사이에서 전기적 크리프 신호들은 동등한 크기 및 동일한 부호이고, 상기 장력 변형 및 압축 변형 영역들로부터의 동등한 전기적 크리프 신호들이 상기 휘트스톤 브리지 회로 내에서 결합될 때, 상기 휘트스톤 브리지 회로의 가산 특성에 의해 상기 전기적 크리프 신호들이 전기적으로 상쇄되는 것인, 상기 접속 단계
    를 포함하고,
    상기 휘트스톤 브리지 회로는, 적어도 제1 및 제2 입력 단자와, 적어도 제1 및 제2 출력 단자와, 적어도 제1 내지 제4 변형 게이지와, 적어도 제1 내지 제4 접속부를 가지고, 제1 입력 단자는 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제1 변형 게이지와 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제4 변형 게이지의 사이에 접속되는 제1 접속부에 접속하고, 제2 입력 단자는 네가티브-크리프 신호를 생성하는 제2 변형 게이지와 포지티브-크리프 신호를 생성하는 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제3 접속부에 접속하고, 제1 출력 단자는 제4 변형 게이지와 제3 변형 게이지의 사이에 접속되는 제4 접속부에 접속하고, 제2 출력 단자는 제1 변형 게이지와 제2 변형 게이지의 사이에 접속되는 제2 접속부에 접속하는 것인, 변환기 제조 방법.
  7. 삭제
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