DE102008041772A1 - Deformation-detecting measuring device for physical values has weld seam all round metal carrier and penetrating right through metal body-carrier joint - Google Patents

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Abstract

The measuring device has a sensor element (10) with a metal carrier (1) and ohmic resistances (5), welded to a metal body (2), the deformation of which produces a measurable electrical signal. The weld seam (4) passes all the way round the metal carrier and penetrates right through the joint between the metal body and the carrier.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung von physikalischen Größen, wie Kraft, Druck, Temperatur, Drehmoment oder Kombinationen davon. In dieser Messvorrichtung werden Deformationen eines Körpers aus Metall, an dem die zu messende Größe angreift, mittels de formationsbedingter Veränderungen ohmscher Widerstände elektrisch erfasst.The The invention relates to a measuring device for measuring physical Quantities such as force, pressure, temperature, torque or combinations thereof. In this measuring device deformations a metal body, on which the size to be measured attacks, by means of formation-related changes Ohmic resistors detected electrically.

Eine nach diesem Prinzip arbeitende, gattungsgemäße Messvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2006 004 285 A1 bekannt. Ein laschenförmiger Metallkörper hat in der Mitte ein Loch in das ein topfförmiges Sensorelement eingesetzt ist. Das Sensorelement ist auf seiner Deckelfläche mit einer durch Glasschichten isoliert aufgebrachten Sensorschaltung mit Dehnungsmessstreifen versehen, die als eine Wheatstone'sche Brückenschaltung mit Widerständen in Metalldünnschichttechnik ausgeführt ist. Das Sensorelement ist entlang seinem Umfang im Bereich im Bereich der oberen und unteren Seitenfläche des laschenförmigen Metallkörpers mit dem Metallkörper verschweißt. Hierbei erstreckt sich die Schweißnaht jeweils ein Stück weit in die Materialstärke des Metallkörpers.A working according to this principle, generic measuring device is for example from the DE 10 2006 004 285 A1 known. A tab-shaped metal body has a hole in the middle in which a cup-shaped sensor element is inserted. The sensor element is provided on its cover surface with an insulated by glass layers sensor circuit with strain gauges, which is designed as a Wheatstone bridge circuit with resistors in metal thin-film technology. The sensor element is welded along its circumference in the region in the region of the upper and lower side surface of the tab-shaped metal body with the metal body. In this case, the weld extends a little way into the material thickness of the metal body.

Diese Verschweißung kann im Bereich der Wurzeln der Schweißnähte Materialspannungen erzeugen, die die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen oder die Lebensdauer herabsetzen können. Zudem ist eine Verschweißung des Sensorelements von beiden Seiten des laschenförmigen Metallkörpers erforderlich, was entweder den Handhabungsaufwand für das Werkstück oder den apparativen Aufwand für die Fertigung erhöht.These Welding can be in the area of the roots of welds Generate material stresses that affect the accuracy of the measurement or reduce the lifetime. There is also one Welding of the sensor element from both sides of the lashing metal body required what either the handling effort for the workpiece or increased the equipment required for the production.

Ferner ist aus der DE 195 27 687 A1 ein Sensor bekannt, der auf eine Messmembran aufgebrachte Dünnschichtwiderstände hat, die in Form von zwei Wheatstone'schen Brücken an solchen Orten der Messmembran angeordnet sind, dass zwei Widerstände einer Brücke im Bereich der Stauchung der belasteten Membran angeordnet sind, während die anderen Widerstände im Bereich der Dehnung der belasteten Membran angeordnet sind. Auf diese Weise sollen Veränderungen erkannt werden, die redundante Messbrückenanordnungen insgesamt beeinträchtigen, aber allein durch Vergleich der beiden Brücken nicht erkannt werden können, da sie beide Brücken gleichermaßen betreffen, wie z. B. Alterung, Materialermüdung, Korrosion etc..Furthermore, from the DE 195 27 687 A1 a sensor is known, which has applied to a measuring membrane thin film resistors, which are arranged in the form of two Wheatstone bridges at such locations of the measuring membrane, that two resistors of a bridge in the region of compression of the loaded membrane are arranged, while the other resistors in the area the strain of the loaded membrane are arranged. In this way, changes are to be recognized that affect redundant measuring bridge arrangements as a whole, but can not be detected solely by comparing the two bridges, since they affect both bridges equally, such. Aging, material fatigue, corrosion etc.

Ausgehend vom nächstkommenden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung vorzuschlagen, die einfach zu fertigen ist und eine hohe Messgenauigkeit bei langer Lebensdauer liefert.outgoing The closest prior art is the invention the object of the invention is to propose a measuring device that is easy to finished and a high measuring accuracy with a long service life supplies.

Diese Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.These Task is with a measuring device with the features of the claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are indicated in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung hat einen Metallkörper, der entsprechend einer zu messenden Größe deformierbar ist. Je nach Gestaltung und Einsatz des Metallkörpers können Biegekräfte, Zugkräfte, Druckkräfte, Drehmomente oder auch Wärmedehnungen, die unterschiedliche, zu messende Ursachen haben können, im Metallkörper auftreten. Die zu messende Größe kann somit direkt oder indirekte Ursache für die Deformation des Metallkörpers sein, so dass ein Zusammenhang zwischen der Deformation des Metallkörpers und deren Ursache (d. h. der zu messenden Größe) besteht und den Rückschluss auf die zu messende Größe zulässt.The Measuring device according to the invention has a metal body, the deformable according to a size to be measured is. Depending on the design and use of the metal body can Bending forces, tensile forces, compressive forces, Torques or thermal expansion, the different, to be measured causes, in the metal body occur. The size to be measured can thus directly or indirect cause of the deformation of the metal body be, so that a connection between the deformation of the metal body and its cause (that is, the size to be measured) exists and the conclusion on the size to be measured allows.

Die Messvorrichtung hat ferner ein Sensorelement, das einen Metallträger und in Metalldünnschichttechnik darauf ausgebildete ohmsche Widerstände aufweist, das mit dem Metallkörper durch Schweißen verbunden ist und das ein der Deformation des Metallkörpers entsprechendes, elektrisch auswertbares Signal erzeugt. Ohmsche Widerstände, deren Widerstand sich mit einer Deformation ändert, werden in Form von Dehnungsmessstreifen verbreitet verwendet. Im vorliegenden Fall sind die Widerstände in bekannter Metalldünnschichttechnik auf dem Sensorelement ausgebildet und fest damit verbunden. Diese Technologie hat den Vorteil, dass die Widerstände auf quasi atomarer Ebene mit dem Metallträger des Sensors verbunden sind, so dass Kriecheffekte etc., die in der Trennung der Widerstände von dem (Metall)träger ihre Ursache haben können, sicher vermieden sind.The Measuring device further has a sensor element, which is a metal carrier and in metal thin-film technology trained ohmic Resistances that with the metal body by welding and that is one of the deformation the metal body corresponding, electrically evaluable Signal generated. Ohmic resistances, whose resistance is With a deformation changes are in the form of strain gauges widely used. In the present case, the resistors in known metal thin-film technology on the sensor element trained and firmly connected to it. This technology has the Advantage that the resistors at quasi-atomic level connected to the metal carrier of the sensor, so that Creep effects, etc., in the separation of the resistances of the (metal) carrier may have their cause, for sure are avoided.

Im angeschweißten Zustand umschließt die Schweißnaht den Metallträger des Sensors vollständig und der Metallkörper hat an der Schweißverbindung mit dem Metallträger eine Materialstärke t, die von der Schweißnaht vollständig durchdrungen ist. Auf diese Weise kann eine Verbindung zwischen Metallkörper und Metallträger ausgehend von nur einer Seite des Metallkörpers geschaffen werden, so dass es nicht erforderlich ist, den Metallkörper zu wenden, erneut zu positionieren und dann eine zweite Schweißung vorzunehmen.in the Welded state encloses the weld the metal carrier of the sensor completely and the Metal body has at the welded joint with the metal carrier has a material thickness t of the weld is completely penetrated. On This way can be a connection between metal body and metal carriers starting from only one side of the metal body be created so that it is not necessary to the metal body to turn, reposition and then a second weld make.

Die erfindungsgemäße Gestaltung hat zudem den Vorteil, dass in der Schweißnaht das gesamte Material des Metallkörpers zur Bildung der Schweißnaht aufgeschmolzen wurde, so dass Restspannungen an der Schweißnahtwurzel erheblich reduziert werden können. Zwischen dem Metallträger des Sensors und dem Metallkörper wurde eine ausschließlich flüssige Zone während der Schweißung ausgebildet, die nun über die Materialdicke des Metallkörpers gleichmäßig erstarren kann.The inventive design also has the advantage that in the weld all the material of the metal body was melted to form the weld, so that Residual stresses at the weld root significantly reduced can be. Between the metal carrier of the sensor and the metal body became one exclusively formed liquid zone during welding, now about the material thickness of the metal body can solidify evenly.

Auf diese Weise ist der Metallträger des Sensorelements neutral eingespannt, so dass die richtungsgerechte Erfassung von Deformationen mit hoher Genauigkeit und langer Lebensdauer möglich ist.On This way, the metal carrier of the sensor element is neutral clamped so that the directional detection of deformations with high accuracy and long life is possible.

Vorzugsweise liegt die Materialstärke t des Metallkörpers im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm. Ebenfalls vorzugsweise hat der Metallträger des Sensorelements einen Außendurchmesser von 5 bis 15 mm.Preferably is the material thickness t of the metal body in Range from 0.2 to 1.2 mm. Also preferably, the metal carrier of the sensor element has an outer diameter of 5 to 15 mm.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Metallträger an seinem Umfang mit einem Flansch versehen, dessen Materialstärke im Wesentlichen gleich der Materialstärke des Metallkörpers im Bereich der Schweißstelle -also t- ist, wobei die Schweißnaht eine Stumpfnaht ist. Alternativ ist der Metallträger topfförmig und der Flansch ist durch eine in die Topfwand eingebrachte Umfangsnut axial begrenzt.In An advantageous embodiment is the metal carrier provided at its periphery with a flange whose material thickness substantially equal to the material thickness of the metal body in the area of the weld -soo t-, with the weld a butt weld is. Alternatively, the metal carrier is cup-shaped and the flange is through a circumferential groove introduced into the pot wall axially limited.

Im Hinblick auf die elektrische und physikalische Anordnung der ohmschen Widerstände auf dem Sensorelement sind insbesondere die folgenden vorteilhaften Ausgestaltungen zu nennen: Die Widerstände des Sensorelements sind zur Bildung von mindestens zwei Wheatstone'schen Vollbrücken miteinander verschaltet. Jede Wheatston'sche Brücke ist mit vier oder fünf elektrischen Anschlussflächen auf dem Sensorelement zum Anschluss einer Auswerteeinheit versehen. Mindestens zwei Widerstände einer Wheatstone'schen Brücke sind durch zwei seriell geschaltete Widerstände gebildet, zwischen denen jeweils ein elektrischer Anschluss vorgesehen ist, an den ein veränderbarer Widerstand anlegbar ist, um den Nullpunkt der Brückenspannung einzustellen. Dieser veränderbare Widerstand kann wahlweise mit der Wheatstone'schen Brücke verbunden werden, um die Brücke gezielt zu verstimmen. Damit wird erreicht, dass das Signal der verstimmten Brücke der Auswerteeinheit gezielt zugeführt werden kann, die ausgelegt ist, sich anhand dieses Signals selbst zu überprüfen.in the With regard to the electrical and physical arrangement of the ohmic Resistors on the sensor element are in particular the To name the following advantageous embodiments: The resistors of the sensor element are for forming at least two Wheatstone's Full bridges interconnected. Every Wheatstone's Bridge is with four or five electrical pads provided on the sensor element for connection of an evaluation unit. At least two resistors of a Wheatstone bridge are formed by two serially connected resistors, between each of which an electrical connection is provided, to which a variable resistor can be applied to the Set zero point of the bridge voltage. This changeable Resistance can optionally be with the Wheatstone bridge be connected in order to detune the bridge targeted. In order to is achieved that the signal of the detuned bridge the Evaluation unit can be selectively supplied, designed is to check yourself with this signal.

Bei der Anordnung mehrerer Wheatstone'scher Brücken ist es vorteilhaft, wenn die Widerstände jeder Brücke jeweils paarweise im rechten Winkel zueinander auf dem Sensorelement angeordnet sind und die einzelnen Brücken relativ zueinander verschieden ausgerichtet angeordnet sind. Wenn die Brücken relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, sind zueinander senkrechte Deformationen des Metallkörpers grundsätzlich unmittelbar erfassbar. Wenn zwei Brücken vorgesehen sind, die relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, gilt diese Überlegung für im 45°-Winkel gerichtete Deformationen.at It is the arrangement of several Wheatstone bridges advantageous if the resistors of each bridge in pairs at right angles to each other on the sensor element are arranged and the individual bridges relative to each other are arranged aligned. If the bridges are relative arranged offset from each other by 90 °, are mutually perpendicular deformations of the metal body basically immediately detectable. If two bridges are provided, which are offset relative to each other by 45 ° aligned, this consideration applies to in the 45 ° angle directed deformations.

In vorteilhafter Ausgestaltung können auch mehr als zwei Brücken vorgesehen sein, so können bspw. zwei Brücken relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sein und eine weitere Brücke ist gegenüber den beiden zueinander senkrecht angeordneten Brücken um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung von Brücken, in der zwei Brückenpaare vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnete Brücken haben, wobei die beiden Brückenpaare relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind. Die Erfassung der Deformationen kann damit entsprechend erfolgen.In Advantageous embodiment can also be more than two bridges be provided, so can, for example, two bridges arranged offset relative to each other by 90 ° and another bridge is opposite two mutually perpendicular bridges offset by 45 ° arranged aligned. Also possible is an arrangement of Bridges, in which two pairs of bridges are provided, arranged offset relative to each other by 90 ° aligned Bridges have, with the two pairs of bridges relative arranged offset from one another by 45 °. The detection of the deformations can thus be carried out accordingly.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:The Invention will be described below with reference to preferred embodiments explained in more detail with reference to the schematic drawing. It shows:

1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements; 1 a sectional view of a first embodiment of a welded in a metal body sensor element;

2 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements; 2 a sectional view of a second embodiment of a welded in a metal body sensor element;

3 eine mit der Erfindung verwendbare Wheatstone'sche Brückenschaltung; 3 a Wheatstone bridge circuit usable with the invention;

4 eine mit der Erfindung verwendbare externe Beschaltung der Brückenschaltung aus 3; 4 an external wiring of the bridge circuit usable with the invention 3 ;

5 eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; 5 an exemplary arrangement of two Wheatstone bridge circuits on the sensor element that can be used with the invention;

6 eine weitere mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; 6 a further exemplary arrangement of two Wheatstone bridge circuits on the sensor element which can be used with the invention;

7 noch eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; und 7 an exemplary arrangement of two Wheatstone bridge circuits on the sensor element that can be used with the invention; and

8 eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von drei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement. 8th an exemplary arrangement of three Wheatstone bridge circuits on the sensor element that can be used with the invention.

1 zeigt ein Sensorelement 10 im Schnitt, das in einen Metallkörper 2 eingebaut ist. Das Sensorelement 10 hat einen topfförmig ausgebildeten Metallträger 1 mit einer Eindrehung E an seinem Umfang, so dass ein Flanschabschnitt 3 gebildet ist, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem Metallkörper 2 verbunden ist. Der deformierbare Metallkörper 2 hat eine im Wesentlichen laschenförmige Gestalt, die in dieser schematischen Schnittansicht nicht gezeigt ist, in die eine Bohrung eingebracht ist, in die das Sensorelement 10 eingesetzt ist. Die Materialstärke oder Blechdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 ist in der Darstellung der 1 mit t bezeichnet und liegt im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm. Der topfförmige Metallträger 1 des Sensorelements 10 hat den erwähnten Flansch 3 ausgebildet, dessen axiale Dicke in etwa der Materialstärke t des deformierbaren Metallkörpers 2 entspricht. Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, ist die Schweißnaht 4 so angebracht, dass sie das gesamte Material des Metallkörpers 2 in dessen Dickenrichtung durchdringt. Die Eindrehung E gewährleistet dabei, dass die beim Schweißen mittels Laserstrahl entwickelte Wärme sich in dem Metallträger 1 nicht nennenswert fortsetzt, so dass die Schweißnaht 4 räumlich und thermisch von der Sensorik 5 (nicht gezeigt) des Sensorelements 10 getrennt ist, die auf der in 1 linken Deckelfläche des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht ist. 1 shows a sensor element 10 on average, that in a metal body 2 is installed. The sensor element 10 has a cup-shaped metal carrier 1 with a recess E at its periphery, so that a flange portion 3 is formed by means of a weld 4 with the metal body 2 connected is. The deformable metal body 2 has a substantially tab-like shape, which is not shown in this schematic sectional view, in which a bore is introduced, in which the sensor element 10 is used. The material thickness or sheet thickness of the deformable metal body 2 is in the representation of 1 denoted by t and is in the range of 0.2 to 1.2 mm. The cup-shaped metal carrier 1 of the sensor element 10 has the mentioned flange 3 formed, whose axial thickness in about the material thickness t of the deformable metal body 2 equivalent. As in 1 can be clearly seen, is the weld 4 so attached that it covers the entire material of the metal body 2 penetrates in the thickness direction. The recess E ensures that the heat developed by laser beam during welding is in the metal carrier 1 not appreciably continues, leaving the weld 4 spatial and thermal of the sensor 5 (not shown) of the sensor element 10 is separated on the in 1 left cover surface of the cup-shaped metal carrier 1 is appropriate.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, die in 2 gezeigt ist, ist in einen Metallkörper 2 ein Sensorelement 10 eingesetzt, das ebenfalls einen Flansch 3 ausgebildet hat, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem umgebenden Metallkörper 2 verbunden ist. Im Unterschied zu der Gestaltung gemäß 1 ist hier der Flansch 3 als sich radial erstreckender Abschnitt eines topfförmigen Metallträgers 1 des Sensorelements 10 ausgebildet. Ähnlich der Ausführungsform in 1 ist auch hier die Materialdicke des Flanschs 3 der Materialdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 angepasst, so dass beide in etwa die Materialstärke t haben. Auch in diesem Beispiel kann die Materialstärke t zwischen 0,2 und 1,2 mm liegen. In 2 ist ferner die Sensorik 5 des Sensorelements 1 angedeutet, die auf der in 2 linken Seite auf der Deckelfläche des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht ist. Die Deckelfläche mit der Sensorik 5 ist im Abstand h von der zugewandten Oberfläche des Metallkörpers 2 bzw. der zugewandten Oberfläche des Flanschabschnitts 3 des Metallträgers 1 angeordnet. Dieser Abstand h ist so gewählt, dass sowohl der Anbau von Auswerteelektronik als auch die Hebelverhältnisse für die Erfassung der Deformationen des deformierbaren Metallkörpers 2 optimiert sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Schweißnaht 4 in Dickenrichtung vollständig durch den Metallkörper 2. Der Abstand h liegt im Größenbereich von t und kann insbesondere 0,2 bis 2 mm betragen.In an alternative embodiment of the invention, which in 2 is shown in a metal body 2 a sensor element 10 used, which also has a flange 3 has formed, by means of a weld 4 with the surrounding metal body 2 connected is. In contrast to the design according to 1 here is the flange 3 as a radially extending portion of a cup-shaped metal carrier 1 of the sensor element 10 educated. Similar to the embodiment in FIG 1 is also the material thickness of the flange 3 the material thickness of the deformable metal body 2 adjusted, so that both have approximately the material thickness t. Also in this example, the material thickness t can be between 0.2 and 1.2 mm. In 2 is also the sensor 5 of the sensor element 1 indicated on the in 2 left side on the lid surface of the cup-shaped metal carrier 1 is appropriate. The cover surface with the sensor 5 is at a distance h from the facing surface of the metal body 2 or the facing surface of the flange portion 3 of the metal carrier 1 arranged. This distance h is chosen so that both the cultivation of transmitter and the lever ratios for detecting the deformations of the deformable metal body 2 are optimized. Also in this embodiment, the weld extends 4 in the thickness direction completely through the metal body 2 , The distance h is in the size range of t and may be in particular 0.2 to 2 mm.

In 3 ist eine beispielhafte Anordnung ohmscher Widerstände in Wheatstone'scher Brückenschaltung gezeigt, die als Sensorik 5 auf dem Metallträger 1 des Sensorelements 10 in Dünnschichttechnik ausgebildet sind. Es ist zu erwähnen, dass diese Brückenschaltungen auch mehrfach auf demselben Sensorelement und in verschiedenen Ausrichtungen zueinander ausgebildet sein können, wie später unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 näher erläutert wird. 3 zeigt eine Wheatstone'sche Brücke mit insgesamt sechs Widerständen A, B, C, D, E, F. Die Widerstände A und B sind rechtwinklig zueinander angebracht, während die Widerstandsgruppen D, E und C, F ebenfalls rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Um die quadratische Anordnung zu erreichen, ist die Widerstandsgruppe D, E parallel zum Widerstand B angeordnet und die Widerstandsgruppe C, F ist parallel zum Widerstand A angeordnet. Die in 3 gezeigten weiteren Widerstände G, H dienen der Temperaturkompensation. In bekannter Weise sind die gezeigten Widerstände A bis H mit Anschlusspunkten 11, 12, 13, 14, 15, 16 verbunden. Die Abgriffe 12 und 14 sind zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen D, E beziehungsweise C, F angeordnet. Die Brückenspannung wird zwischen den Kontakten 13 und 16 abgegriffen, während die Anschlussflächen 12 und 14 dazu verwendet werden können, die Brücke abzustimmen.In 3 an exemplary arrangement of ohmic resistors in Wheatstone bridge circuit is shown as a sensor 5 on the metal carrier 1 of the sensor element 10 are formed in thin-film technology. It should be noted that these bridge circuits can also be formed several times on the same sensor element and in different orientations to each other, as later with reference to the 5 to 8th is explained in more detail. 3 shows a Wheatstone bridge with a total of six resistors A, B, C, D, E, F. The resistors A and B are mounted at right angles to each other, while the resistor groups D, E and C, F are also arranged at right angles to each other. In order to achieve the square arrangement, the resistor group D, E is arranged parallel to the resistor B and the resistor group C, F is arranged parallel to the resistor A. In the 3 shown further resistors G, H serve the temperature compensation. In a known manner, the resistors A to H shown with connection points 11 . 12 . 13 . 14 . 15 . 16 connected. The taps 12 and 14 are arranged between the series resistors D, E and C, F, respectively. The bridge voltage is between the contacts 13 and 16 tapped off while the pads 12 and 14 can be used to tune the bridge.

4 zeigt die Beschaltung der auf der linken Seite der 4 gezeigten Wheatstone'schen Brückenschaltung gemäß 3, die bereits im Einzelnen erläutert wurde. Die Brückenschaltung links der strichpunktierten Linie ist auf dem Sensor angebracht, während rechts dieser strichpunktierten Linie in 4 die externe Schaltung schematisch wiedergegeben ist. Zusätzlich zu den zuvor genannten Widerständen A bis H sind die Widerstände J, I und K vorgesehen. K ist ein verstellbarer Widerstand. Die Widerstände I und J sind in Reihe zueinander und parallel zu den Widerständen E und F geschaltet. Zwischen den beiden Widerständen I und J ist ein Abgriff 12' vorgesehen, der über einen Schalter a mit dem einen Ende des Widerstands K verbindbar ist, der an seinem anderen Ende mit dem Anschlusspunkt 12 bzw. dem Widerstand I verbunden ist. Der Widerstand K dient zum gezielten Verstimmen der Brücke. 4 shows the wiring on the left side of the 4 shown Wheatstone bridge circuit according to 3 , which has already been explained in detail. The bridge circuit to the left of the dot-dash line is attached to the sensor, while the right-hand side of this dot-dash line in FIG 4 the external circuit is shown schematically. In addition to the aforementioned resistors A to H, the resistors J, I and K are provided. K is an adjustable resistor. The resistors I and J are connected in series with each other and in parallel with the resistors E and F. Between the two resistors I and J is a tap 12 ' provided, which is connectable via a switch a to one end of the resistor K, at its other end to the connection point 12 or the resistor I is connected. The resistor K is used for targeted detuning of the bridge.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch den Schalter a die Parallelschaltung der Widerstände I und K in Reihe mit dem Widerstand J unterbrochen oder ausgeschaltet werden, so dass nur noch die Widerstände I und J in Reihe miteinander und parallel mit den Widerständen E und F verschaltet sind. Diese als gezielte Verstimmung der Brücke bezeichnete Maßnahme kann in Zusammenarbeit mit einer geeigneten Auswerteeinheit nunmehr dazu verwendet werden, die Antwort einzelner Komponenten auf diese Signaländerung dahingehend auszuwerten, dass ein ordnungsgemäßer Funktionszustand oder eine Fehlfunktion dieser Bauteile ermittelt werden kann. Anders ausgedrückt, durch diese gezielt verstimmbare Brücke ist es möglich, unabhängig von der Änderung der Widerstände in der Brücke selbst, die Funktionsfähigkeit der Auswerteeinheit zu prüfen. Selbst wenn eine fehlerhafte Messung seitens der Brücke vorläge, so ist doch der Unterschied des Signals bei unverstimmter und verstimmter Brücke ein hinreichend genau festgelegter Signalwert, der diese Analyse der Auswerteelektronik gestattet.in the present embodiment can by the switch a the parallel connection of the resistors I and K in series with the resistor J interrupted or turned off, so that only the resistors I and J in series with each other and are connected in parallel with the resistors E and F. This measure referred to as deliberate detuning of the bridge can now in cooperation with a suitable evaluation unit to be used, the response of individual components to this Evaluate signal change to the effect that a proper Function state or malfunction of these components are determined can. In other words, by this deliberately tunable Bridge it is possible, regardless of the change of resistances in the bridge itself, to check the functionality of the evaluation unit. Even if a faulty measurement on the part of the bridge Vorläge, so is the difference of the signal at unsatisfied and detuned bridge a sufficiently well-defined Signal value that allows this analysis of the transmitter.

Zusätzlich zu den obigen Ausführungen ist hier darauf hinzuweisen, dass weitere Widerstände in der Brücke oder auch in der Auswerteeinheit vorgesehen werden können, die dann Funktionen übernehmen können wie Temperaturkompensation oder dergleichen. So sind zum Beispiel die Widerstände E und F Abgleichwiderstände, die mittels Lasertrimmung zum Abgleich der Brücke fest eingestellt werden können. Die in den Versorgungsteil der Brücke eingeschalteten Widerstände G und H bilden Kompensationswiderstände für den Temperaturgang des E-Moduls des Werkstoffs des Sensorkörpers und Metallkörpers (2), d. h. sie dienen der Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Sensors.In addition to the above statements, it should be pointed out here that further resistances can be provided in the bridge or in the evaluation unit, which can then take on functions such as temperature compensation or the like. For example, the resistors E and F are trimming resistors that can be fixed by means of laser trimming to balance the bridge. The resistors G and H connected in the supply part of the bridge form compensation resistances for the temperature characteristic of the modulus of elasticity of the material of the sensor body and metal body ( 2 ), ie they serve to compensate for the temperature dependence of the sensor.

Die 5, 6, 7 und 8 zeigen jeweils schematisierte Draufsichten auf die Deckelfläche eines Sensorelements mit darauf aufgebrachten Widerständen. Sie zeigen lediglich die prinzipielle Anordnung und Orientierung der Widerstände innerhalb der einzelnen Brücken. Die Widerstände einer Gruppe sind jeweils mit A, B, C, D, A', B', C', D' oder A'', B'', C'' bzw. D'' bezeichnet. Selbstverständlich können alle diese Brücken entsprechend den obigen Ausführungen zu 3 und 4 gestaltet sein und folglich auch deren sämtliche Widerstände bzw. eine entsprechend gestaltete Auswerteeinheit sowie passende Anschlussmimik haben. Die Widerstände sind in Dünnfilmtechnik aufgebracht und mittels Glasisolation vom Trägermaterial (Metallträger) isoliert.The 5 . 6 . 7 and 8th each show schematic plan views of the lid surface of a sensor element with resistors applied thereto. They merely show the basic arrangement and orientation of the resistors within the individual bridges. The resistors of a group are denoted by A, B, C, D, A ', B', C ', D' or A '', B '', C '' and D '', respectively. Of course, all of these bridges according to the above comments too 3 and 4 be designed and consequently also have all their resistances or a correspondingly designed evaluation unit and matching connection mimic. The resistors are applied in thin-film technology and insulated from the carrier material (metal carrier) by means of glass insulation.

In 5 ist eine sogenannte x- und y-Richtungsanordnung der Brücken gezeigt, d. h. die einzelnen Widerstandspaare AC, A'C'; BD, B'D' der jeweiligen Brücke stehen senkrecht zueinander, wobei jeweils zwei Brückenpaare AC, A'C'; BD, B'D' von zwei Brücken zueinander parallel angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich Deformationen oder Komponenten davon entsprechend ihrer um 90° zueinander versetzten Richtung unmittelbar messen.In 5 a so-called x- and y-directional arrangement of the bridges is shown, ie the individual resistance pairs AC, A'C '; BD, B'D 'of the respective bridge are perpendicular to each other, with two pairs of bridges AC, A'C'; BD, B'D 'of two bridges are arranged parallel to each other. In this way, deformations or components thereof can be measured directly according to their offset by 90 ° to each other direction.

In der 6 ist eine Anordnung getroffen, in der die Brückenwiderstände A, B, C, D der linken Brücke genauso angeordnet sind, wie die Widerstände A, B, C, D in der linken Brücke in 5. In der rechten Brücke der 6 sind die Widerstände A', B', C', D' zwar zueinander im rechten Winkel, jedoch bezüglich der Widerstandspaare AC, BD der ersten Brücke im 45 Grad Winkel angeordnet. Auf diese Weise misst die eine Brücke in x- und y-Richtung, während die andere Brücke Deformationen in der dazu um jeweils um 45 Grad versetzten Richtung unmittelbar misst.In the 6 an arrangement is made in which the bridge resistors A, B, C, D of the left bridge are arranged in the same way as the resistors A, B, C, D in the left bridge in FIG 5 , In the right bridge of the 6 are the resistors A ', B', C ', D' to each other at right angles, but with respect to the pairs of resistors AC, BD of the first bridge arranged at 45 degrees. In this way, one bridge measures in the x- and y-direction, while the other bridge directly measures deformations in the direction offset by 45 degrees.

In der 7 sind wiederum gleichartige Brücken mit zueinander senkrechten Paaren AC, BD, A'C', B'D' von Widerständen ausgebildet, diese sind aber zur x-y-Richtung des Sensors alle um 45 Grad versetzt angeordnet, d. h. die Widerstände A und B sind parallel zu den Widerständen D' und C' angeordnet und die Widerstände A', B' sind parallel zu den Widerständen C und D angeordnet. Dies ermöglicht eine redundante Messung in den Richtungen 45 Grad relativ zu x und y.In the 7 are in turn similar bridges with mutually perpendicular pairs AC, BD, A'C ', B'D' formed by resistors, but these are all offset by 45 degrees to the xy direction of the sensor, ie, the resistors A and B are parallel to the resistors D 'and C' are arranged and the resistors A ', B' are arranged in parallel with the resistors C and D. This allows a redundant measurement in the directions 45 Degrees relative to x and y.

Schließlich bietet die 8 eine weitere Modifikation mit einer dritten Wheatstone'schen Brücke, die, ausgehend von der Gestalt in 7, zwischen die mit 45 Grad zu den Hauptachsen x, y angeordneten Brücken senkrecht in x-y-Richtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine redundante Messung von 45 Grad bezüglich der x-y-Richtung und eine zusätzliche Messung in x- und y-Richtung möglich.Finally, the 8th a further modification with a third Wheatstone bridge, which, starting from the shape in 7 , between which arranged at 45 degrees to the main axes x, y bridges is arranged vertically in the xy direction. In this way, a redundant measurement of 45 degrees with respect to the xy direction and an additional measurement in the x and y directions is possible.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 19527687 A1 [0004] - DE 19527687 A1 [0004]

Claims (16)

Messvorrichtung, mit einem entsprechend einer zu messenden Größe deformierbaren Metallkörper (2); einem Sensorelement (10), das einen Metallträger (1) und in Metalldünnschichttechnik darauf ausgebildete ohmsche Widerstände (5) aufweist, das mit dem Metallkörper (2) durch Schweißen verbunden ist und das ein der Deformation des Metallkörpers (2) entsprechendes, elektrisch auswertbares Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (4) den Metallträger (1) an seinem Umfang vollständig umschließt und der Metallkörper (2) an der Schweißverbindung mit dem Metallträger (1) eine Materialstärke t hat, die von der Schweißnaht (4) vollständig durchdrungen ist.Measuring device, with a metal body which can be deformed according to a quantity to be measured ( 2 ); a sensor element ( 10 ), which has a metal support ( 1 ) and in metal thin-film technology formed thereon ohmic resistances ( 5 ), which is connected to the metal body ( 2 ) is connected by welding and that one of the deformation of the metal body ( 2 ) corresponding electrically generated signal, characterized in that the weld ( 4 ) the metal carrier ( 1 ) completely encloses at its periphery and the metal body ( 2 ) at the welded connection with the metal support ( 1 ) has a material thickness t, of the weld ( 4 ) is completely penetrated. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Größe Kraft, Druck, Temperatur, Drehmoment oder Kombinationen davon umfasst.Measuring device according to claim 1, characterized in that that the magnitude, force, pressure, temperature, Includes torque or combinations thereof. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke t im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm liegt.Measuring device according to claim 1 or 2, characterized that the material thickness t in the range of 0.2 to 1.2 mm lies. Messvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallträger (1) an seinem Umfang mit einem Flansch (3) versehen ist, dessen Materialstärke im wesentlichen gleich t ist, wobei die Schweißnaht (4) eine Stumpfnaht ist.Measuring device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the metal carrier ( 1 ) at its periphery with a flange ( 3 ), whose material thickness is substantially equal to t, wherein the weld ( 4 ) is a butt weld. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallträger (1) topfförmig ist und der Flansch (3) durch eine in die Topfwand eingebrachte Umfangsnut (E) axial begrenzt ist.Measuring device according to claim 4, characterized in that the metal carrier ( 1 ) cup-shaped and the flange ( 3 ) is axially limited by a introduced into the pot wall circumferential groove (E). Messvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallträger (1) des Sensorelements (10) einen Außendurchmesser von 5 bis 15 mm hat.Measuring device according to one or more of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the metal carrier ( 1 ) of the sensor element ( 10 ) has an outer diameter of 5 to 15 mm. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (ABCD) des Sensorelements (10) zur Bildung von mindestens einer Wheatstone'schen Vollbrücke miteinander verschaltet sind und ein zur Dehnung des Sensorelements (10) proportionales Signal bereitstellen.Measuring device according to one or more of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the resistors (ABCD) of the sensor element ( 10 ) are interconnected to form at least one Wheatstone full bridge and one for stretching the sensor element ( 10 ) provide proportional signal. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (ABCD, A'B'C'D') des Sensorelements (10) zur Bildung von mindestens zwei Wheatstone'schen Vollbrücken miteinander verschaltet sind und ein zur Dehnung des Sensorelements proportionales Signal bereitstellen.Measuring device according to one or more of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the resistors (ABCD, A'B'C'D ') of the sensor element ( 10 ) are interconnected to form at least two Wheatstone full bridges and provide a signal proportional to the elongation of the sensor element. Messvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wheatston'sche Brücke mit vier oder fünf elektrischen Anschlussflächen (11, 13, 15, 16) auf dem Sensorelement zum Anschluss einer Auswerteeinheit versehen ist.Measuring device according to claim 7 or 8, characterized in that each Wheatstone bridge with four or five electrical pads ( 11 . 13 . 15 . 16 ) is provided on the sensor element for connection of an evaluation unit. Messvorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Widerstände einer Wheatstone'schen Brücke durch zwei seriell geschaltete Widerstände (DE, CF) gebildet sind, zwischen denen jeweils ein elektrischer Anschluss (12, 14) vorgesehen ist, an den ein veränderbarer Widerstand K anlegbar ist, um die Wheatstonebrücke gezielt zu verstimmen.Measuring device according to claim 7, 8 or 9, characterized in that at least two resistors of a Wheatstone bridge are formed by two serially connected resistors (DE, CF), between each of which an electrical connection ( 12 . 14 ) is provided, to which a variable resistor K can be applied to detune the Wheatstone bridge targeted. Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal der verstimmten Brücke der Auswerteeinheit zugeführt wird, die ausgelegt ist, sich anhand dieses Signals selbst zu überprüfen.Measuring device according to claim 10, characterized in that that the signal of the detuned bridge of the evaluation unit is supplied, which is designed based on this signal to check for yourself. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände jeder Brücke (AC, BD; A'C', B'D') jeweils paarweise im rechten Winkel zueinander auf dem Sensorelement (10) angeordnet sind, und, sofern mehr als ein Brücke (ABCD, A'B'C'D') vorgesehen ist, die einzelnen Brücken relativ zueinander verschieden ausgerichtet angeordnet sind.Measuring device according to one or more of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the resistances of each bridge (AC, BD; A'C ', B'D') are in pairs at right angles to each other on the sensor element ( 10 ), and, if more than one bridge (ABCD, A'B'C'D ') is provided, the individual bridges are arranged differently oriented relative to each other. Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brücken (ABCD, A'B'C'D') vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind.Measuring device according to claim 12, characterized in that that two bridges (ABCD, A'B'C'D ') are provided, the arranged offset relative to each other by 90 ° are. Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brücken (ABCD, A'B'C'D') vorgesehen sind, die relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind.Measuring device according to claim 12, characterized in that that two bridges (ABCD, A'B'C'D ') are provided, the arranged offset relative to each other by 45 ° are. Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brücken (ABCD, A''B''C''D'') vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind und eine weitere Brücke (A'B'C'D') vorgesehen ist, die gegenüber den beiden zueinander senkrecht angeordneten Brücken um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet ist.Measuring device according to claim 12, characterized in that that two bridges (ABCD, A''B''C''D '') are provided, arranged offset relative to each other by 90 ° are and another bridge (A'B'C'D ') is provided, the opposite to the two mutually perpendicular Bridges arranged offset by 45 ° is. Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brückenpaare (ABCD, A'B'C'D') vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnete Brücken haben, wobei die beiden Brückenpaare relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind.Measuring device according to claim 12, characterized in that that two bridge pairs (ABCD, A'B'C'D ') are provided, arranged offset relative to each other by 90 ° aligned Bridges have, with the two pairs of bridges relative arranged offset from one another by 45 °.
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