DE10120982A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren von Dehnungsmeßschaltungen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren von DehnungsmeßschaltungenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren von Dehnungsmeßschaltungen, die aus mindestens einem Dehnungsaufnehmer (SG) in Viertelbrückenschaltung besteht, der über eine mindestens dreiadrige Meßleitung (16) mit einem Meßkanal (15) verbunden ist. Im Meßkanal (15) ist zur Erfassung und Verstärkung der Dehnungsmeßsignale eine Brücken- und Verstärkerschaltung (V) vorgesehen. Weiterhin ist zur Berücksichtigung der Spannungsabfälle auf den Meßleitungen (16) im Meßkanal (15) noch eine Regelschaltung (17, 20) vorgesehen. Zur Kalibrierung dieser Dehnungsmeßschaltung ist im Meßkanal (15) eine Kalibrierschaltung (26) integriert, die mindestens aus einem zuschaltbaren Kalibrierwiderstand (R¶S¶) besteht, der parallel zum Ergänzungsbrückenwiderstand (R¶E¶) schaltbar ist. Durch die Zuschaltung dieses Kalibrierwiderstandes (R¶S¶) wird ein Kalibriersignal erzeugt, das als Meßsignal einer definierten Dehnungsänderung erfaßbar und mit einem vorgegebenen Referenzwert vergleichbar ist. Dabei sind für die Abweichung noch Grenzwerte vorgebbar, deren Übershreitung gesondert signalisiert oder angezeigt wird. Mit einer derartigen Kalibrierschaltung (26) können bei einer Vielstellenmessung alle vorhandenen Meßkanäle (15) in kürzester Zeit vollautomatisch mit hoher Genauigkeit kalibriert werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren von
Dehnungsmeßschaltungen gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 sowie ein Verfahren zur Durchführung der Kalibrie
rung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
In der Flugzeugindustrie werden heute vielfach Materialspan
nungen an größeren Tragflächen- oder Rumpfteilen im Windkanal
oder in anderen Versuchsaufbauten mit Dehnungsmeßschaltungen
erfaßt. Dazu werden vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen an der
Oberfläche der zu testenden Flugzeugteile appliziert, über
Meß- und Speiseleitungen mit den nachgeschalteten Meßverstär
kern verbunden und mittels programmgesteuerter digitaler Re
chenanlagen ausgewertet. Um einen möglichst umfassenden Span
nungszustand der Flugzeugteile oder anderer spannungsbelaste
ter Teile erfassen zu können, werden an dessen Oberflächen
teilweise bis zu 4.000 Dehnungsmeßstreifen befestigt. Zur Aus
wertung jeder Messung muß vor der Versuchsdurchführung und bei
jeder Änderung des Meßaufbaus oder der Umgebungsbedingungen
jede Dehnungsmeßschaltung nachvollziehbar kalibriert werden.
Wollte man dies manuell wie bei einer einzelnen Meßstelle mit
Referenzwiderständen durchführen, würde dies jeweils einige
Minuten in Anspruch nehmen. Bei hohen Meßstellenzahlen wäre
dies sehr aufwendig und würde kostbare Versuchszeit in An
spruch nehmen.
Beim Einsatz derartiger Dehnungsmeßstreifen zur Dehnungsmes
sung werden diese zur Meßwerterfassung meist mit Kompensati
onsdehnungsmeßstreifen oder Ergänzungswiderständen zu einer
Wheatstone'schen Brücke verschaltet. Dabei werden bei Viel
stellenmeßschaltungen die Ergänzungswiderstände meist bereits
im Eingangsbereich der Verstärkerkanäle fest montiert, so daß
die Dehnungsmeßstreifen als sogenannte Viertelbrücke schaltbar
sind und über Meßleitungen mit den einzelnen Verstärkereingän
gen verbunden werden. Um bei längeren Meßleitungen den meß
wertverfälschenden Spannungsabfall auf den Meß- und Speiselei
tungen berücksichtigen zu können, sind verschiedene spannungs
geregelte Dreileiterschaltungen bekannt, durch die dieser
Spannungsabfall berücksichtigt wird.
Jede Dehnungsmeßstelle ist deshalb bei derartigen Dehnungsmeß
schaltungen mit mindestens einer dreiadrigen Meß- und Speise
leitung auf jeweils einem Verstärkerkanal geführt und gruppen
weise über Stecker an vielkanälige Verstärkerbaugruppen mit
beispielsweise bis zu 128 Meßkanälen angeschlossen. Es sind
deshalb Kalibriergeräte bekannt, die über Meßgerätestecker an
die jeweiligen Verstärkerbaugruppen anschließbar sind und mit
denen die bis zu 8 Meßschaltungen einer Verstärkerbaugruppe
mit einem nachvollziehbaren Kalibriervorgang gleichzeitig ka
libriert werden können. Dazu sind in den Kalibriergeräten
Schaltungen vorgesehen, die mindestens aus einem Referenzwi
derstand und einem anschaltbaren Parallelwiderstand bestehen,
wobei der Referenzwiderstand dem Nennwert eines Dehnungsmeß
streifens entspricht. Die zuschaltbaren Parallelwiderstände
sind dabei so bemessen, daß sie im zugeschalteten Bereich mit
dem Referenzwiderstand eine definierte Dehnung eines Dehnungs
meßstreifens nachbilden. Da diese Kalibriergeräte jeweils ma
nuell an eine Verstärkerbaugruppe durch Abziehen der Meßleitungen
und Aufstecken des Verbindungskabels des Kalibriergerä
tes aufgeschaltet werden müssen, ist ein derartiger Aufwand
bei einigen tausend Meßstellen nicht unbeträchtlich, so daß
die Kalibrierung einen erheblichen Zeitaufwand erfordert. Im
übrigen können sich bei der Wiederanschaltung der Meßstellen
zusätzliche Übergangswiderstände durch die Steckverbindung
bilden, die das Kalibrierergebnis verfälschen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Kali
brierung von Dehnungsmeßschaltungen ohne großen manuellen Auf
wand und in möglichst kurzer Kalibrierzeit durchführen zu kön
nen.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 8 angege
bene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Aus
führungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß sich bei spei
sespannungsgeregelten Drei- und Mehrleiterschaltungen eine Ka
librierung auch mit einem zuschaltbaren Parallelwiderstand am
verstärkerseitigen Ergänzungswiderstand ausführen läßt, da
sich die Brücke insgesamt im vorgesehenen Dehnungsbereich re
lativ linear verhält, so daß es meßtechnisch gleichwertig ist,
ob die Kalibrierschaltung im Dehnungsmeßstreifenbereich oder
am Ergänzungswiderstand vorgesehen wird.
Es war bei Dehnungsmeßschaltungen zwar schon bekannt, auch am
Ergänzungswiderstand einen zuschaltbaren Parallelwiderstand
anzuordnen, wobei dieser aber nicht zur Kalibrierung, sondern
nur zur Kontrolle des Anschaltzustandes des Dehnungsmeßstrei
fens verwendet wurde. So konnte damit lediglich kontrolliert
werden, ob der Eingangskreis ordnungsgemäß angeschlossen worden
ist und keine Leitungsunterbrechungen oder Kurzschlüsse
vorhanden waren, indem nur eine undefinierte Meßsignaländerung
auftreten mußte. Die Fachwelt hielt dabei eine Kalibrierung
mit Meßfehlern von höchstens 0,2% mittels eines zuschaltbaren
Parallelwiderstandes im Ergänzungswiderstandsbereich für nicht
durchführbar, da der Widerstand des messenden. Dehnungsmeß
streifens in Folge von Toleranzen und Dehnungen um mehrere
Prozent vom Nennwert abweichen kann und daß die zum Dehnungs
meßstreifen führenden Anschlußleitungen bei längeren Kabeln
ebenfalls Widerstände im Bereich von mehreren Ohm haben kön
nen. Erst durch die Erkenntnis, daß eine gegenläufige Beein
flussung zwischen dem Dehnungsmeßstreifenviertelzweig und dem
Ergänzungswiderstandsbrückenzweig ein relativ lineares Brüc
kenverhalten ergibt, war mit einer definierten Widerstandsän
derung im Ergänzungswiderstandsbereich eine Kalibrierung mit
engen Toleranzen durchführbar.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die feste Anordnung
der Kalibrierschaltung in jedem Meßkanal die Kalibrierung
vollautomatisierbar durchgeführt werden kann. Dies ist durch
programmgesteuerte Rechenanlagen vorteilhaft auch in regelmä
ßigen Abständen oder in arbeitsfreien Zeiträumen vollautoma
tisch möglich und kann in kürzester Zeit durchgeführt werden.
Dabei können durch gleichzeitige Anschaltung aller Kalibrier
widerstände alle vorhandenen Meßkanäle gleichzeitig kalibriert
werden, auch wenn sie in mehreren Verstärkerbaugruppen ange
ordnet sind. Auf einfache Weise kann dabei auch der gesamte
Kalibriervorgang listenmäßig protokolliert werden, so daß vor
teilhafterweise nachprüfbare Kalibrierergebnisse erstellbar
sind. Durch einfachen Vergleich des erfaßten Kalibriersignals
mit einem vorgegebenen Referenzsignal kann für alle Meßkanäle
gleichzeitig oder nacheinander die jeweilige Abweichung festgestellt
und bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes
eine Fehlermeldung signalisiert werden.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß die Meßkreise
beim Kalibrieren nicht abgetrennt werden müssen, sondern viel
mehr die am Meßkanal angeschlossene Meßstelle und dessen An
schlußleitungen in dem Kalibriervorgang eingeschlossen sind,
was die Meßsicherheit und Meßgenauigkeit verbessert. Dabei ist
eine Kalibrierung auch dann noch mit hoher Präzision möglich
(Fehler < 0,1%), wenn die Meßstellenwiderstände bis zu +/-6%
von ihrem jeweiligen Nennwert abweichen und zusätzlich noch
Leitungswiderstände von über 20% des Meßstellennennwertes
vorhanden sind. Durch die verbleibende unbeeinflußte Anschal
tung der Meßstellen wird gleichzeitig eine Überprüfung der
ordnungsgemäßen Anschaltung der Meßstellen durchgeführt, so
daß ein derartiger Prüfvorgang entbehrlich ist.
Besonders vorteilhaft ist die einfache Ausgestaltung der Kali
briervorrichtung, da im Grunde nur ein vorgegebener anschalt
barer Meßwiderstand im Meßkanal vorgesehen werden muß. Gleich
zeitig kann der vorhandene präzise Ergänzungswiderstand zur
Kalibrierung mitbenutzt werden, so daß eine sehr kostengünsti
ge Kalibriervorrichtung geschaffen wurde, die insbesondere bei
einer Vielstellendehnungsmessung vorteilhaft ausführbar ist.
Die erfindungsgemäße Kalibrierschaltung ist auch auf einfache
Weise in vorhandene Meßkanäle integrierbar, ohne daß diese
Meßschaltungen nennenswert verändert werden müßten und auch
kaum ein zusätzlicher Platzbedarf dafür erforderlich ist.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in
der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Meßkanalkali
brierung nach dem Stand der Technik, und
Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung
zur Dehnungsmessung mit einer integrierten Kali
brierschaltung.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Schaltbild
zur Kalibrierung eines Meßkanals 1 mit einem extern über einen
Stecker oder dergleichen anschließbares Kalibriergerät für ma
ximal 8 Meßkanäle einer Verstärkerbaugruppe nach dem Stand der
Technik. Jeder Meßkanal 1 innerhalb einer Verstärkerbaugruppe
besteht im wesentlichen aus den Ergänzungswiderständen RE, RH
einer Wheatstone'schen Vollbrücke, einer Speisespannungsschal
tung 5 und einer Meßverstärkerschaltung V.
Bei der vorgesehenen Dehnungsmeßschaltung wird ein eingesetz
ter Dehnungsmeßstreifen als sogenannte Viertelbrücke mit min
destens drei weiteren Ergänzungs- RE und Hilfswiderständen RH
zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke verschaltet. Diese Wider
stände RE, RH sind im Meßkanal 1 einer Verstärkerbaugruppe an
geordnet und über mindestens eine drei- oder mehradrige Meß
leitung 2 mit einem nicht dargestellten Dehnungsmeßstreifen
als Dehnungsaufnehmer verbunden. Dabei sind zwei identische
Hilfswiderstände RH zu einer Halbbrücke 3 verschaltet und mit
ihrem Mittenanschluß 4 mit dem Eingang eines Operationsver
stärkers V als Verstärkerschaltung verbunden.
Ein Ergänzungswiderstand RE ist zu einem der beiden Brücken
hilfswiderstände RH parallel geschaltet und gleichzeitig mit
der Speisespannungsquelle 5 verbunden. Die Speisespannungs
quelle 5 ist mit dem anderen Spannungspol mit dem zweiten
Brückenhilfswiderstand RH verschaltet und auf einem Meßkanalanschluß
6 gelegt. Ein zweiter Meßkanalanschluß 7 ist mit dem
zweiten Verstärkereingang und ein dritter Meßkanalanschluß 8
mit dem Ergänzungswiderstand RE verbunden. Der Ausgang des
Meßverstärkers V ist mit einem Meßkanalausgangsanschluß 9 ver
bunden, dessen Ausgangssignal in einer nachfolgenden Anzeige
schaltung 10 anzeigbar ist oder zur Weiterverarbeitung in ei
ner programmgesteuerten Rechenanlage verwendet werden kann.
Eingangsseitig ist der Meßkanal 1 mit einer dreiadrigen Meß
leitung 2 mit einer Kalibrierschaltung 11 eines Kalibriergerä
tes verbunden, das anstatt des Dehnungsmeßstreifens an den
Meßkanal 1 geschaltet ist. Im Kalibriergerät ist für jeden
Meßkanal 1 eine separate Kalibrierschaltung 11 vorgesehen, die
aus mindestens zwei Meßwiderständen besteht, die eine an
schaltbare Parallelschaltung darstellen. Der fest angeschalte
te Referenzwiderstand 12 entspricht dem Nennwiderstand des
vorgesehenen Dehnungsmeßstreifens. Derartige Dehnungsmeßstrei
fen werden vorzugsweise mit Nennwiderstandswerten von 120, 350
oder 1.000 Ω gefertigt. Parallel zu diesem Referenzwiderstand
12 ist noch ein Kalibrierwiderstand 13 über einen elektrischen
Schalter 14 anschaltbar, der eine vorgegebene Dehnungsänderung
eines Dehnungsmeßstreifens von 10.000 µm/m nachbildet.
Ist ein derartiges Kalibriergerät anstatt der einzelnen Deh
nungsmeßstreifen über eine Steckverbindung an die Verstärker
baugruppe angeschlossen, so müssen alle Meßkanäle 1 zunächst
ein Nullsignal anzeigen, da durch den angeschlossenen Refe
renzwiderstand 12 die Brücke abgeglichen sein müßte, wenn der
Meßkanal 1 ordnungsgemäß arbeitet. Wird nun durch den Schalter
14 der Kalibrierwiderstand 13 zugeschaltet, so wird eine Deh
nungsänderung von 10.000 µm/m nachgebildet. Dadurch wird die
Brücke so verstimmt, daß in der Verstärkerschaltung V im Diagonalzweig
4, 7 ein Meßsignal erfaßt wird, durch das bei
spielsweise eine Dehnungsänderung von -9.997 µm/m in der An
zeigeschaltung 10 angezeigt wird. Eine derartig geringe Abwei
chung von 3 µm/m bei einer nachgebildeten Dehnungsänderung von
10.000 µm/m beträgt 0,03% und liegt in jedem Fall im zulässi
gen Toleranzbereich, so daß die dargestellte Kalibrierschal
tung 11 einen ordnungsgemäß kalibrierten Meßkanal 1 anzeigt.
Die Kalibrierprozeduren sind vorzugsweise so ausgebildet, daß
sie die einzelnen Meßkanäle 1 identifizieren und die zugehöri
gen Kalibrierdaten speichern und bei solchen Meßkanälen Feh
lermeldungen anzeigen oder ausdrucken, die über den zulässigen
Toleranzwerten liegen. Eine derartige Kalibrierung erfolgt je
weils für jede Verstärkerbaugruppe mittels eines Gerätestec
kers, mit dem zunächst die Dehnungsmeßstreifen abgeschaltet
und das Kalibriergerät durch Aufstecken der Steckvorrichtung
angeschaltet wird. Nach Beendigung der Kalibrierung wird das
Kalibriergerät entfernt und die Meß- und Speiseleitungen 2 der
Dehnungsmeßstreifen wieder mit den Meßkanälen 1 der Verstär
kerbaugruppe verbunden. Dieses Verfahren muß für jede ansteck
bare Verstärkerbaugruppe separat erfolgen und erfordert bei
vielen Verstärkerbaugruppen einen erheblichen manuellen Ar
beits- und großen Zeitaufwand, bis eine vollständige Kalibrie
rung aller Meßkanäle 1 erfolgt ist.
Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Schaltbild
einer Vorrichtung zur Dehnungsmessung eines Meßkanals 15 mit
einer integrierten Kalibrierschaltung 26 im Bereich des Ergän
zungswiderstandes RE. Bei dieser Dehnungsmeßschaltung ist ein
Dehnungsmeßstreifen SG zur Dehnungsmessung außerhalb des Meß
kanals 15 vorgesehen. Dieser Dehnungsmeßstreifen SG ist bei
spielsweise mit einer Vielzahl anderer Dehnungsmeßstreifen SG
an einem dehnungsempfindlichen Flugzeugbauteil appliziert und
über beispielsweise eine spannungsgeregelte dreiadrige Meßlei
tung 16 mit dem Meßkanal 15 verbunden. Diese Meßleitung 16 ist
durch dessen Leitungswiderstände Rwire nachgebildet und kann
auch viele hundert Meter von der Meßkanalschaltung 15 entfernt
sein. Die Meßleitung 16 ist beispielsweise über Anschlußstec
ker mit dem Meßkanal 15 verbunden und braucht auch während ei
ner Kalibrierung nicht vom Meßkanal 15 entfernt werden.
Die Spannungsnachregelung wird durch einen Operationsverstär
ker 17 mit einem konstanten Verstärkungsfaktor von 2 erzeugt,
der den Spannungsabfall auf den beiden Speiseleitungen 18, 19
über eine Addierschaltung 20 nachregelt. Eine derartige Ad
dierschaltung 20 wird vorzugsweise als Summierverstärker aus
gebildet. Eine derartige Spannungsnachregelung ist aus der
noch nicht veröffentlichten DE 199 57 088.4 vom 29.11.1999 be
kannt und kompensiert die Spannungsabfälle auf den Meß- und
Speisespannungsleitungen 18, 19, die durch die Leitungswider
stände Rwire verursacht werden.
Ein Dehnungsmeßstreifen als Dehnungsaufnehmer kann auch durch
eine geregelte Vierleiterschaltung mit einem Meßkanal verbun
den werden. Derartige spannungsgeregelte Vierleiterschaltungen
für Dehnungsmeßstreifen sind aus dem Rohrbach, Handbuch für
experimentelle Spannungsanalyse, Düsseldorf 1989, Seite 676
vorbekannt.
Der Dehnungsmeßstreifen SG ist als sogenannte Viertelbrücke
geschaltet und über einen ersten Speisespannungsanschluß 21,
einem Fühlerleitungsanschluß 22 und einem zweiten Speisespan
nungsanschluß 23 mit dem Meßkanal 15 verbunden. An den zweiten
Speisespannungsanschluß 23 ist mit dem Dehnungsmeßstreifen SG
im Meßkanal 15 ein Ergänzungswiderstand RE in Reihe geschal
tet, der mit den Dehnungsmeßstreifen SG eine Halbbrücke bil
det. Parallel zu dieser Halbbrücke ist noch eine weitere Halb
brücke 24 aus zwei in Reihe geschalteten Hilfswiderständen RH
vorgesehen, wobei beide Halbbrücken eine Wheatstone'sche Voll
brücke bilden.
In der Meßdiagonalen dieser Vollbrücke ist ein Meßverstärker
30 geschaltet, an dessen Ausgang 25 ein Dehnungsmeßsignal an
liegt, das als elektrisches Meßsignal in mV/V erzeugt wird.
Die Brückenschaltung wird von einer Spannungsquelle Ve im Meß
kanal 15 versorgt, die einerseits mit der Hilfshalbbrücke 24
und der Addierschaltung 20 und andererseits mit dem Ergän
zungswiderstand RE und einer Kalibrierschaltung 26 verbunden
ist. Dabei besteht die Kalibrierschaltung 26 aus einem Kali
brierwiderstand RS, der über einen elektronischen Schalter 28
parallel zum Ergänzungswiderstand RE schaltbar ist. Der Kali
brierwiderstand RS ist als hochpräziser Meßwiderstand ausge
bildet. Bei einem herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen von 350 Ω
Nennwiderstand ist der Ergänzungswiderstand RE ebenfalls mit
einem Widerstandswert von 350 Ω vorgesehen. Bei einer derarti
gen Schaltung besitzt der Kalibrierwiderstand RS beispielswei
se einen Wert von 87,25 Ω, wobei durch die Parallelschaltung
ein Kalibriersignal erzeugt wird, das eine Dehnungsänderung an
einem Dehnungsmeßstreifen SG von 2.000 µm/m (k-Faktor k = 2)
nachbildet.
Solange der Kalibrierschalter 28 geöffnet ist, liegt am Aus
gang 25 der Brücke ein Ausgangssignal an, das der relativen
Dehnung am Dehnungsmeßstreifen SG entspricht. Im unbelasteten
Zustand der Meßschaltung müßte der Dehnungsmeßstreifen SG als
auch der Ergänzungswiderstand RE idealerweise jeweils einen
Wert von 350 Ω aufweisen und die Brücke wäre abgeglichen und
am Ausgang müßte ein Nullsignal anliegen. Aber auch wenn der
Dehnungsmeßstreifen SG eine Widerstandstoleranz besitzt oder
bereits gedehnt oder gestaucht wäre und somit stark (z. B. um
mehrere Prozent) von seinem Nennwert abweichen würde, kann bei
der Applikation das Ausgangssignal rechnerisch durch eine
nicht dargestellte Nullabgleichschaltung auf Null abgeglichen
werden. Ein derartiger rechnerischer Nullabgleich hat dabei
auch keinen Einfluß auf die Meßempfindlichkeit, da sich die
relative Widerstandsänderung des Dehnungsmeßstreifens linear
zur Dehnung verhält, die die Empfindlichkeit von Brückenschal
tungen in weiten Grenzen praktisch unbeeinflußt läßt und es
deshalb auf den Ausgangswert des Dehnungsmeßstreifens SG nicht
ankommt.
Nach diesem automatisch durchführbaren Nullabgleich erfolgt
die Kalibrierung unter Simulation einer vorgegebenen Dehnungs
änderung mit beispielsweise 2.000 µm/m durch Anschaltung des
Kalibrierwiderstandes RS über den elektronischen Schalter 28
parallel zum Ergänzungswiderstand RE. Hierdurch wird ein Kali
briersignal im Ergänzungszweig bzw. der Ergänzungsviertelbrüc
ke erzeugt, das bei ordnungsgemäßer Meßschaltung zu einem Aus
gangssignal von recht genau 2.000 µm/m führt. Dies überra
schende Ergebnis resultiert daraus, daß die Wechselwirkungen
zwischen den Dehnungsmeßstreifen SG und dem Ergänzungswider
standsbereich bei Dehnungsmessungen zu einem weitgehend line
arisierten Bereich der Brücke führen. So hat sich in der Pra
xis gezeigt, daß in einem verhältnismäßig großen Dehnungsbe
reich eines Dehnungsmeßstreifens von beispielsweise -40.000 µm/m
bis +40.000 µm/m (entspricht +/-8% Toleranz des Deh
nungsmeßstreifens) die Empfindlichkeit (mV/V) der Brücken
schaltung nur +/-0,1% vom Idealwert abweicht. Eine derartig
geringe Abweichung ist aber bei Dehnungsmessungen vernachläs
sigbar klein. Diese Konstanz der Empfindlichkeit gilt sowohl
für die gemessene Dehnung mittels Dehnungsmeßstreifen als auch
für das Kalibriersignal, obwohl der Dehnungsmeßstreifen um +/-
8% von seinem Nennwert abweichen kann. Dieser überraschende
Eigenschaft der Brückenschaltung ist es zu verdanken, daß das
Kalibriersignal eine hohe Präzision besitzt und zur Kalibrie
rung verwendet werden kann.
Eine Kalibrierung von Dehnungsmeßschaltungen kann aber auch
erfolgen, wenn kein vorheriger Nullabgleich erfolgt ist. Dann
müßte bei Anschaltung des Kalibrierwiderstands eine Meßsignal
änderung von beispielsweise 2.000 µm/m gegenüber dem vorheri
gen Meßwert eintreten.
Da der Ergänzungswiderstand RE und der Kalibrierwiderstand RS
vorteilhafterweise im Meßkanal 15 fest einbaubar sind, ist mit
dieser Kalibrierschaltung 26 eine weitgehend selbsttätige Ka
librierung der Brücke auch bei Vielstellenmessungen möglich,
ohne daß zeitraubende manuelle Ausführungen notwendig sind. So
können durch die selbsttätige Zuschaltung der Kalibrierschal
terr 28 in allen Meßkanälen 15 präzise Dehnungsänderungssigna
le simuliert werden. Dabei können die Ausgangssignale über ei
ne programmgesteuerte Rechenschaltung 29 auf beispielsweise
+/-0,2% Grenzwertabweichungen gegenüber dem theoretisch zu
erwartenden Referenzsignal (z. B. 2.000 µm/m) überprüft und
entsprechende Überschreitungen gemeldet werden.
Eine derartige selbsttätige Kalibrierung ist deshalb durch ei
ne digitale Rechenschaltung 29 auch in regelmäßigen Zeitab
ständen gleichzeitig in allen Meßkanälen 15 möglich, ohne daß
hierfür manuelle Arbeitskräfte notwendig sind. Eine derartige
Kalibrierung kann durch die Rechenschaltung 29 auch protokol
liert und gespeichert werden, so daß die jeweiligen Kalibrier
werte auch nachprüfbar erfaßt sind, so daß insbesondere bei
sicherheitsrelevanten Messungen an geprüften Flugzeugteilen
unmanipulierbare Meßwerte vorliegen, die von entsprechenden
Überwachungsbehörden überprüfbar sind.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Kalibrieren von Dehnungsmeßschaltungen,
wobei die Dehnungsmeßschaltungen aus mindestens einem
Dehnungsaufnehmer in Form eines Dehnungsmeßstreifens be
stehen, der als Viertelbrückenwiderstand geschaltet und
über eine mindestens dreiadrige Meßleitung mit einem
Meßkanal verbunden ist, der zur Erfassung und Verstär
kung der Dehnungsmeßsignale dient und wobei an den Meß
kanal eine Kalibrierschaltung anschaltbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßkanal (15) eine Spannungsre
gelschaltung (17, 20) enthält, die mindestens die Span
nungsabfälle auf der Meßleitung (16) ausregelt und daß
die Kalibrierschaltung (26) im Meßkanal (15) integriert
ist und mindestens aus einem zuschaltbaren Kalibrierwi
derstand (RS) parallel zu einem Ergänzungswiderstand
(RE) besteht, nach dessen Zuschaltung ein Kalibriersi
gnal erzeugt wird, das als Meßsignal einer definierten
Dehnungsänderung erfaßbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kalibrierwiderstand (RS) als präziser Meßwiderstand
ausgebildet ist, der über Schaltmittel (28) parallel zum
Ergänzungswiderstand (RE) der Ergänzungsviertelbrücke
schaltbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Schaltmittel (28) als elektronische Schal
ter ausgebildet sind, die über eine elektronische Re
chenschaltung (29) ansteuerbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die elektronische Rechenschal
tung (29) so ausgebildet ist, daß zur Kalibrierung die
Schalter (28) aller vorhandenen Meßkanäle (15) gleich
zeitig, nacheinander oder in vorgegebener Ablauffolge
geschaltet und deren Kalibriersignale erfaßt werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
durch die elektronische Rechenschaltung (29) die erfaß
ten Kalibriersignale mit vorgegebenen Referenzsignalen
verglichen und deren Abweichung angezeigt und/oder ge
speichert werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
durch die elektronische Rechenschaltung (29) die erfaß
ten Abweichungen mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen
und bei einer festgestellten Überschreitung signalisiert
und/oder ausgegeben werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
durch die elektronische Rechenschaltung (29) die erfaß
ten Kalibrierwerte und deren Abweichungen vom Referenz
wert meßkanalzugehörig identifiziert und nachvollziehbar
protokolliert werden.
8. Verfahren zum Kalibrieren von Dehnungsmeßschaltungen
mittels einer der Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kalibrieren der
Meßschaltung zunächst das Dehnungsmeßsignal des Deh
nungsmeßstreifens (SG) bei geöffneten Kalibrierschalter
(28) erfaßt wird, und daß nachfolgend der Kalibrier
schalter (28) geschlossen und die Differenz des Deh
nungsmeßsignals als Kalibriersignal erfaßt und mit einem
vorgegebenen Referenzwert verglichen und dessen Abwei
chung ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Differenzsignale aller vorhandenen Meßkanäle (15)
erfaßt, identifiziert und protokolliert werden und mit
vorgegebenen Grenzwerten verglichen und festgestellte
Grenzwertüberschreitungen signalisiert und/oder geson
dert ausgegeben werden.
Priority Applications (2)
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EP02009085A EP1253413A1 (de) | 2001-04-28 | 2002-04-24 | Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren von Dehnungsmessschaltungen |
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---|---|---|---|
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EP (1) | EP1253413A1 (de) |
DE (1) | DE10120982B4 (de) |
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