WO2002035191A9

WO2002035191A9 - Verfahren und vorrichtung zur hysteresekorrektur von messwerten bei aufnehmern mit dehnungsmessstreifen

Info

Publication number: WO2002035191A9
Application number: PCT/EP2001/012288
Authority: WO
Inventors: Hans Guenter Koenig
Original assignee: Schenck Process Gmbh; Hans Guenter Koenig
Priority date: 2000-10-28
Filing date: 2001-10-24
Publication date: 2002-09-19
Also published as: EP1340057A2; US6928853B2; US20040059532A1; DE10053667A1; WO2002035191A1; AU2002219058A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hysteresekorrektur von Mebwerten von einem oder mehreren Aufnehmern (1), die an einem Verformungskörper mit Dehnungsmeßstreifen ermittelt werden. Dabei wird jeder hysteresebehaftete meßwert x um den Hysteresefehler korrigiert. Dazu wird aus einer aufgenommenen Belastungskennlinie und der Theorie der Dipoldichte der Orientierten Elementarhysteresen im Inneren des Verformungskörpers ein Hysteresemodell gebilded, mit dessen Hilfe und den ermittelten hysteresebehafteten meßwerten x und anhand der erfa?ten Belastungshistorie ein Korrekturwert abgeleitet, der zur Korrektur des Hysteresefehlers dient.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Hysteresekorrektur von Meßwerten bei Aufnehmern mit Dehnungsmeßstreifen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hysteresekorrektur von Meßwerten bei Aufnehmern mit Dehnungsmeßstreifen, die die Dehnung aufgrund einer Krafteinwirkung auf einem Verformungskörper erfassen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Bei der Erfassung von Meßwerten werden häufig Meßwertaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen eingesetzt, die aufgrund einer Krafteinwirkung auf einen elastischen Verformungskörper ein elek- trisches Meßsignal erzeugen. Dabei werden diese Aufnehmer vorwiegend in Wägeeinrichtungen und zum Messen von Kräften, Momenten oder Drücken eingesetzt. Derartige Aufnehmer und insbesondere Wägezellen sind in der Regel mit einem Hysteresefehler behaftet, der in der Praxis dadurch erkennbar ist, daß für die selbe Last zwei unterschiedliche Meßwerte geliefert werden, je nach dem ob die Messung bei ansteigender oder abfallender Belastung vorgenommen wird. Hauptursache dieser mehrdeutigen Kennlinienabweichung sind freguenzunabhängige Dämpfungsvorgänge im Werkstoff des Verformungskörpers bei Dehnungen im ela- stischen Bereich oder in Grenzfällen eine beginnende Plastifi- zierung. Daneben treten auch äußere Reibungseffekte an den Krafteinleitungs- bzw. Fügeflächen auf. Neben anderen Lineari- tätsfehlern entscheiden diese Hysteresefehler maßgeblich über die Genauigkeit der Meßergebnisse. Diese Hysteresefehler werden in der Praxis bei Wägezellen und Kra tau ehiαern häufig dadurch reduziert, daß sie durch Hystereseeffekte bei der Applikation der Wandlerelemente (DMS) möglichst kompensiert werden. Dazu werden die Dehnungsmeßstreifen (DMS) und entsprechende Kleber gewählt, die eine möglichst gegenläufige Hysterese aufweisen und so den Gesamthysteresefehler gering halten. Der so verbleibende Hysteresefehler ist aber noch einer Serienstreuung unterworfen und kann auch nicht durch Nacharbeiten belioben werden. So wurden bisher Aufnehmer mit sehr geringen Hysterese ehlern lediglich durch Selektion aus der Serie hergestellt.

Aus der DE 20 40 987 B2 ist ebenfalls ein Verfahren zur Verringerung des Hysteresefehlers bekannt geworden, das auf me- chanische Weise in einem Aufnehmer zwei Meßelemente mit entgegengerichteten Hysteresen miteinander koppelt. Zwar läßt sich auf diese Weise der Hysteresefehler verringern, wobei aber auch hier eine Nacharbeitung nach der Fertigung nicht mehr möglich ist, so daß auch hier alle fertigungsbedingten Tole- ranzen vollständig in das Meßergebnis eingehen. Darüber hinaus erhöht eine solche Vorrichtung den mechanischen Aufbau durch die Herstellung einer aufwendigen Meßfeder enorm.

Weiterhin sind zur Korrektur des Hysteresefehlers auch mathe- matische Verfahren aus der GB 147912 B und der EP 0 457 134 A2 vorbekannt, die in der Ausgangsgröße des Kraftaufnehmers angewandt werden. Beide Druckschriften offenbaren mathematische Verfahren in Form von Polynomapproximationen, bei denen jeweils in Abhängigkeit der Belastungsrichtung des Wägesystems gespeicherte Hysteresekorrekturwerte mit den ermittelten Meßwerten verarbeitet und danach als um den Hysteresefehler korrigierten Gewichtswert ausgegeben werden. Da diese Verfahren die lokalen Umkehrpunkte in der Lastgeschichte nicht berücksichtigen, muß ein merklicher Restfehler zurückbleiben. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Hysteresefehler bei Dehnungsmeßstreifenaufnehmern zu korrigieren und dies bei einem akzeptablen Aufwand.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und 10 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß bei allen hysteresebehafte- ten Aufnehmersystemen mit Dehnungsmeßstrei en dieses Korrekturverfahren anwendbar ist. Dabei ist lediglich eine einmalige Ermittlung der Belastungskennlinie oder einzelner Belastungswerte in aufsteigender und abfallender Form notwendig, die zur Abbildung eines Hysteresemodells ausreichen, woraufhin anhand des Modells für jeden hysteresebehafteten Meßwert Korrekturwerte ableitbar sind.

Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil, daß zur Bildung des jeweiligen Hysteresmodells für den speziellen Aufnehmer oder die spezielle Waage nur dessen Belastungskennlinie oder nur wenige bestimmende Belastungswerte ermittelt oder vorgegeben werden müssen, die bereits bei einer normalen Staffelmessung zur Justierung erfolgt, ohne daß die gesamte Belastungsgeschichte bekannt sein muß, so daß keine besondere vorherige Bestimmung einer Vielzahl von Koeffizienten notwendig ist.

Die Erfindung hat noch zusätzlich den Vorteil, daß die Hysteresekorrektur sowohl für einen einzelnen Aufnehmer als auch für eine Vielzahl zusamrαengeschalteter Aufnehmer, wie bei- spielsweise einer gesamten Waage, erfolgen kann, da der gesamte Hysteresefehler durch eine nachgeschaltete numerische Signalaufarbeitung erfolgt. Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß dies wegen der Ableitung des Modells aus der Existenz von elastischen Dipolen auf einfachste Weise geschieht und daher auch nur eines sehr geringen Rechenaufwands bedarf. Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist von Vorteil, daß durch eine zusätzliche Wichtungsfunktion auch eine Anpassung an eine unsymmetrische Einhüllende der Hysterese möglich ist, ohne daß das Hysteresemodell verändert werden müßte.

Die Erfindung wird anhand eines Aus ührungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild der Erfindung;

Fig. 2: eine Entwicklung der Dichtefunktion in Abhängigkeit von der Dehnungsgeschiehte; Fig. 3: die Einhüllende eines Hysteresemodells, und Fig. 4: ein Rechenprogramm des Hysteresemodells.

In Fig. 1 der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Blockschaltbildes dargestellt, das einen Aufnehmer 1 mit einem Vorverstärker 2 enthält, der ein Meßsignal x liefert, dessen Hysteresefehler durch eine Modell- 3, eine Wichtungsfunktions- 4, eine Multiplizier- 5 und eine SummierSchaltung 6 korrigiert wird.

Der Aufnehmer 1 ist als Wägezelle ausgebildet, die einen elastischen Verformungskörper enthält, auf denen Dehnungsmeß- streifen (DMS) appliziert sind. Diese geben ein elektrisches Signal ab, das der Gewichtsbelastung der Wägezelle 1 proportional ist. Da diese Wägezelle 1 einen Verformungskörper aus einer Eisenlegierung enthält, gibt die Wägezelle 1 ein Signal ab, das mit einem Hysteresefehler behaftet ist, dessen nicht- linearer Verlauf eine sogenannte Einhüllende bildet. Dieses hysteresebehaftete Gewichtssignal x wird in einem nachfolgenden Vorverstärker 2 verstärkt und einer Modellrechenschaltung 3 zugeführt. In dieser Modellrechenschaltung 3 sind Belastungswerte eingegeben, die bei einer Belastung der Wägezelle 1 bis zu einem Maximalwert und einer vollständigen Entlastung durchlaufen werden. Hierbei sind ausgehend von einer Entlastung im aufsteigenden Zweig mindestens ein Zwischenwert und im absteigenden Zweig wiederum mindestens ein Zwischenwert erforderlich. Eine derartige Staffelmessung mit mehreren Meßwer- ten erfolgt in der Regel bereits bei der Justage der Wägezelle 1 bzw. einer Waage, so daß hierfür meist keine besondere Eingabe der notwendigen Belastungswerte erforderlich ist. Im übrigen muß eine derartige Belastung auch nicht unbedingt bei einer Erstbenutzung der Wägezelle 1 bzw. der Waage erfolgen, da durch die Messung bis zum Maximalwert alle vorherigen hystereseerzeugenden Meßwerte überschrieben werden und deshalb unberücksichtigt bleiben können.

Dem Hysteresemodell der Modellschaltung 3 liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die zur Hysterese führende Belastungshistorie nach folgenden Schritten entwickelt. Dazu wird ein Rechenmodell eingesetzt, das aus der geometrischen Interpretation eines Biegebalkens abgeleitet wird. Ansatzweise wird hierbei von der Existenz von elastischen Dipolen ausgegangen, die sich unter dem Einfluß eines elastischen Dehnungsfeldes orientieren und ähnlich den Elementarmagneten in die Spannungsrichtung ausrichten. Im Falle des Biegebalkens ist die Verteilung (Dipoldichte φ) nur über die Höhe der Feder bzw. des Dehnungskörpers z zu betrachten. In einer ersten Näherung können dabei alle weiteren Raumkomponenten vernachlässigt werden. Hierbei ist auch die Randdehnung ε_r meßtechnisch erfaßbar und es treten im elastischen Bereich die größten Dehnungen an der Feder bzw. am Verformungskörper auf. Für das Modell wird daher angenommen, daß an dieser Stelle eine Teilausrichtung von Rand- dipolen in Richtung der Spannungsänderungen erzwungen wird. Dabei verhält sich die Randorientierung nach folgender mathematischer Funktion: wobei φ = Dipoldichte; z = Abstand von der neutralen Phase in Richtung auf den Deh- nungsrand; r = Kennzeichnung für Randwerte; ε_r = Dehnung am Randbereich und C = Faktor für Hysteresestärke.

Die Dipoldichte φ der orientierten Elementarhysteresen im Inneren des Körpers ergibt sich deshalb aus der Verzerrungsgeschiente des Verformungskörpers nach folgender mathematischer Funktion:

wobei n = Anzahl der Lastschritte.

Bei einem Biegebalken ist aus Symmetriegründen eine stückweise lineare Verteilungsfunktion φ über der Höhe z anzunehmen. Deshalb läßt sich mit Kenntnis der Belastungshistorie die Ent- Wicklung der Dichtefunktion φ nach Fig. 2 der Zeichnung entwickeln. In Fig. 2 der Zeichnung ist der Ablauf einer Erstbelastung und weiterer Belastungszyklen dargestellt. Begonnen wird mit φ = konstant = 0.0 und ε_r = 0.0. Die Randdehnung wird auf ε_r = A erhöht. Damit stellt sich der Verlauf A-B für die Dichtefunktion ein. Wird anschließend wieder der Ausgangszustand ε_r = 0.0 erzwungen, so entsteht Punkt C und es verbleibt der orientierte Bereich 0-C-B im Inneren zurück. Wird die Randdehnung wieder erhöht, so bildet sich die Front A'-C, parallel zu A-B-. Mit dem Erreichen von ε_x geht Punkt C in C über, wobei eine Auslöschung beider Punkte stattfindet. Ein Vorzeichenwechsel in der Dehnungsgeschwindigkeit erzeugt am

Körperrand einen neuen Unstetigkeitspunkt in φ. Dieser Punkt kann nur in Richtung auf die neutrale Faser (NF) wandern. Fronten zwischen zwei Unstetigkeitspunkten sind unbeweglich, nur das Geradenstück zwischen Rand und dem ersten Punkt wird parallel verschoben. Zusammenlaufende Punkte heben sich gegenseitig wieder auf. Bei genügend großer Randdehnung, unabhängig vom Vorzeichen, wird jede ältere innere Struktur durch die neue Front B' überschrieben. Löschen sich dabei zwei Unstetig- keitspunkte aus, so entsteht ein Knick im Kennlinienast. Bei einem schwach gedämpften ,-,Ausschwingen", beginnend mit der Maximalamplitude in ε_r, wird die gesamte gespeicherte Information gelöscht.

Aus der geometrischen Vorstellung heraus ist das Fehlmoment einer einzelnen Faser durch die mit dem Faserabstand z multiplizierte Dichtefunktion φ zu gewinnen. Aus der Integration über z und einer Multiplikation mit dem Faktor C (Hysteresestärke) ist ein inneres Hysteresemoment M_h bzw. eine innere Hy- steresekraft F_h erhältlich, das durch einen. Randdehnungsfehler ε_h im Gleichgewicht gehalten wird. Dies sich aus der Belastungshistorie ergebende verbleibende Hysteresemoment M_h bzw. Hysteresekraft F_h ergibt sich nach folgender mathematischer Funktion:

Mh = C_m

-z -dz

Der Faktor C wird dabei zunächst so gewählt, daß die relative Modellhysterese zu 100 % wird. Die Anpassung an die zu korrigierende Aufnehmerhysterese kann dann durch eine Wichtungsfunktion P_(x) in einer WichtungsSchaltung 4 zusätzlich erfol- gen. Aus dem so entwickelten Modell, das im wesentlichen die Belastungshistorie enthält, ist für jeden ermittelten Meßwert x ein Korrektur- oder Hilfswert h berechenbar. Dabei beschreibt das Hysteresemodell im wesentlichen die Linearitäts- abweichung von einer Geraden in Tropfenform der einhüllenden Schleife. Eine derartige Einhüllende des Hilfswerts h über den hysteresebehafteten Meßwert x ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt. Dabei stellt diese Einhüllende 7 einen symmetrischen tropfenförmigen Verlauf dar, dessen Werte in der Modellschal- tung 3 nach dem Programm in Fig. 4 jeweils berechnet werden. Dabei ist das Hysteresemodell in der Programmiersprache „FO- TRAN" beschrieben und der Modellrechenschaltung 3 eingegeben, die damit für jeden Meßwert x den jeweiligen Hilfswert h berechnet. Da die Einhüllende 7 nach der Modellschaltung 3 eine Einhüllende in idealer Tropfenform nach Fig. 3 der Zeichnung beschreibt, kann noch eine Anpassung an unsymmetrische Hysteresekurven vorgenommen werden, die von dieser Tropfenform 7 abweichen. Dazu ist noch eine Wichtungsfunktion vorgesehen, die eine lineare Abhängigkeit P_(x) beschreibt, durch die die Unsymmetrien der Hysteresekurven zusätzlich in der Wichtungsschaltung 4 berücksichtigt werden können. Da in dieser Wichtungsfunktion P_(X) noch ein anpassender Faktor C der Aufnehmerhysterese enthalten ist, kann die Modelϊrechenschaltung 3 für sämtliche hysteresebehafteten Aufnehmer verwendet werden.

In einer nachfolgenden Multiplizierschaltung 5 wird die Wichtungsfunktion P_(X) als Form des jeweiligen Wichtungsfaktors w mit dem jeweiligen Hilfswert h multiplikativ verknüpft und als Korrekturfaktor einer SummierSchaltung 6 zugeführt. Dieser Wichtungsfaktor w kann im Idealfall bei einer idealen Tropfenform 7 der Einhüllenden den Faktor 1 besitzen wie vorstehend beschrieben oder eine Anpassung der gemessenen Hysterese zur relativen Modellhysterese enthalten. Da durch diese Wichtungsfunktion auch eine lineare Anpassung an eine Abweichung der idealen Tropfenform 7 des Hysteresemodells enthalten sein kann, errechnet die WichtungsfunktionsSchaltung 4 zusätzlich noch die jeweilige Abweichung bezogen auf den ermittelten hysteresebehafteten Meßwert x. Der sich hieraus ergebende Ge- samtwichtungsfaktor w multipliziert mit dem Hilfswert h ergibt am Ausgang des Multiplizierers 5 einen Korrekturwert zur Berücksichtigung des jeweiligen Hysteresefehlers.

Im Summierer 5 wird der ermittelte Korrekturwert mit dem hysteresebehafteten Meßwert x vorzeichenrichtig additiv ver- knüpft, so daß danach der um den Hysteresefehler bereinigte Meßwert y zur Weiterverarbeitung oder Anzeige am Ausgang des Summierers β zur Verfügung steht.

Ein derartiges Korrekturverfahren kann sowohl mittels hard- oder softwaremäßigen Rechenschaltungen ausgeführt werden. Dabei ist ein derartiges Korrekturverfahren sowohl für analoge- als auch für digitale Aufnehmerschaltungen oder Waagen geeignet. Insbesondere erfordert es keine spezielle Anpassung an die spezielle Ausbildung der Aufnehmer oder Waagen, sondern ist lediglich durch die Aufnahme der ansteigenden und abfallenden Belastungskennlinien ausführbar.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Hysteresekorrektur von Meßwerten bei Aufnehmern mit DehnungsmeßstreifenPatentansprüche

1. Verfahren zur Hysteresekorrektur von Meßwerten bei Aufnehmern mit Dehnungsmeßstreifen, die die Dehnung aufgrund einer Krafteinwirkung auf einen elastischen Verformungskörper erfassen, bei denen die hysteresebehafteten Meß- werte um einen ermittelten Hysteresefehler korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus ermittelten Belastungswerten in einem aufsteigenden und einem abfallenden Belastungszweig ein Hysteresemodell gebildet wird, mit dessen Hilfe und jedem ermittelten hysteresebehafteten Meßwert x ein Korrekturwert ableitbar oder berechenbar ist, der zur Korrektur des Hysteresefehlers dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Modellschaltung (3) ein Hysteresemodell des Aufneh- mers (1) aus der Dipoldichte φ der orientierten Elementardipole im Inneren des Verformungskörpers und der ermittelten Belastungswerte im aufsteigenden und abfallenden Belastungszweig (Einhüllende (7) der Hysterese) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem gebildeten Hysteresemodell und jeweils einem hysteresebelasteten Meßwert x in der Modellschaltung (3) ein Hilfswert h gebildet wird, der einen Wert für den re- lativen Hysteresefehler darstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten Belastungswerten (Einhüllende (7) der Hysterese) des Aufnehmers (1) in einer WichtungsSchaltung (4) mittels einer Wichtungsfunktion P ein Wichtungsfaktor w gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten Belastungswerten (Einhüllende der Hysterese) des Aufnehmers (1) und/oder einer Unsymmetrie der Einhüllenden (7) mittels einer Wichtungsfunktion P_(x) ein Wichtungsfaktor w gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Wichtungsfunktion P_(x) und einem jeweils ermittelten hysteresebehafteten Meßwert x in der Wichtungsschaltung (4) ein Wichtungsfaktor w gebildet und dieser ultiplikativ mit dem Hilfswert h verknüpft wird und einen Wert für den jeweiligen Hysteresefehler ergibt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des jeweiligen Hysteresefehlers vorzeichenrichtig mit dem hysteresebehafteten Meßwert x in einer Sum- rαierschaltung (6) verknüpft wird und einen um den Hysteresefehler korrigierten Meßwert y ergibt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hysteresebehaftete Meßwert x als Ausgangssignal eines Aufnehmers (1) oder als Ausgangssignal mehrerer zusammengeschalteter Aufnehmer (1) ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale x sowohl aus abgetasteten Analogsignalen oder als Digitalwerten gebildet werden.

10.Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufnehmer (1) mit Dehnungsmeßstreifen vorgesehen ist, dessen hysteresebehafteten Meßwerte x einer Modellschaltung (3) zugeführt werden, die daraus einen Hilfswert h bildet, der in einer vorgesehenen MultiplizierSchaltung (5) mit den aus einer vorgesehenen WichtungsSchaltung (4) gebildeten Wichtungsfaktor w zu einem Korrekturwert verknüpft wird und aus dem in einer vorgesehenen Summierschaltung (6) unter Berücksichtigung des hysteresebehafteten Meßwerts x an dessen Ausgang der korrigierte Meß- wert y zur Weiterverarbeitung oder Anzeige zur Verfügung steht .

11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modell- (3), die Multiplizier- (5), die Wichtungs- (4) und die SummierSchaltung (6) als elektronische Schaltung hardwaremäßig ausgebildet ist.

12.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen der Modell- (3) , der Multiplizier- (5) , der Wichtungs- (4) und/oder der SummierSchaltung (6) als programmgesteuerte elektronische Rechenschaltung ausgebildet ist.